介电泳和空间效应耦合的微流控循环肿瘤细胞分选芯片

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1、硕士学位论文介电泳和空间效应耦合的微流控循环肿瘤细胞分选芯片作者姓名姚洁学科专业生物医学工程指导教师董华教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018.4.23CouplingofdielectrophoresisandspatialeffectsinmicrofluidicchipforcirculatingtumorcellsortingADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：YaoJieSupervisor：Prof.Don

2、gHuaSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：Q503;TN492学校代号：10561学号：201520113830华南理工大学硕士学位论文介电泳和空间效应耦合的微流控循环肿瘤细胞分选芯片作者姓名：姚洁指导教师姓名、职称：董华教授申请学位级别：理学硕士学科专业名称：生物医学工程研究方向：微流控细胞分选芯片论文提交日期：2018年4月23日论文答辩日期：2018年5月31日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主

3、席：叶建东委员：宁成云邓春林董华赵娜如摘要细胞分选在生物学和临床医学中有着非常广泛的应用。相比于传统的流式细胞分选方法，微流控细胞分选具有快速、简便、可多功能单元自由组合等诸多优点，现已成为细胞分选领域的研究热点。其中，作为典型的主动细胞分选方式，微流控介电泳分选不需要标记细胞，只单纯依靠细胞的大小和介电特性等物理性质实现细胞分选，操作简便，分选效率高，然而该方法仅限于分选介电特性差异较大的细胞。本论文延续了课题组在微流控介电泳细胞分选方面的研究工作，针对之前设计的介电泳芯片（或者说单纯的介电泳方

4、法）无法较好地分离介电差异不明显的两种细胞的问题，设计了一类新型的微流控芯片，依据复杂微通道内的空间效应通过在微通道中引入流体动力单元，将介电泳分选和流体动力分选耦合以实现两种分选的协同作用，进而达到从血细胞中分离癌细胞的目的。首先，本工作采用软光刻法构建了多种具有空间分选效应的PDMS微通道，比较其细胞分选效果，结果显示收缩/膨胀结构的分选效果最佳。与此同时，采用丝网印刷法制备了3D侧壁电极（厚约25µm），对丝网印刷过程中出现的问题，进行了详细的研究并提出了相应的解决方案。根据3D侧壁电极和收

5、缩/膨胀结构的相对位置，我们构建了三种微芯片（全耦合，半耦合和非耦合），为确保三种芯片具有相同的流体动力分选时间和相同的介电泳分选时间，三种芯片都设计了12个收缩膨胀微单元和相同的电极长度。其次，作为从血液中分选循环肿瘤细胞等稀有细胞的应用实例，我们选取了兔血红细胞（直径8µm）和肺癌细胞PC-9（直径16µm）并按1000:1的比例混合。利用Comsol软件模拟三种结构的芯片对该细胞体系的分选性能，通过多物理场模块进行有限元仿真分析了芯片内的电场分布和流体场分布，在此计算基础上借助粒子追踪模块预

6、测了分选过程中细胞的运动轨迹。仿真结果表明全耦合芯片具有最好的分选性能。再次，利用静态介电特性实验绘制了PC-9细胞和红细胞的介电图谱，成功搭建了细胞分选平台，在三种芯片上分别进行实际分选实验，实验结果也表明全耦合微芯片可以实现较高细胞分选效率（PC-9细胞回收率：90.21%，RBC回收率：94.35%）。为了探究全耦合芯片的分选机理，比较了单纯的收缩/膨胀芯片、平行电极芯片、全耦合芯片的分选过程，提出了一种新的分选机理：全耦合芯片的高细胞分选效率源自介电泳分选和流体动力分选的协同作用。换言之，

7、由3D侧壁电极产生的正介电力可以同时充当附I加的剪切梯度升力，从而在低流速下引发二次流。最后，优化了全耦合芯片的细胞分选条件，探究了溶液电导率、流速、输入电压、输入频率等对分选效率的影响。结果表明在流速为15µL/h，溶液电导率为80µS/��，输入电压为13V，输入频率为900kHZ的条件下分选效率最好。通过一系列的细胞活死染色、溶血率的测定、CCK-8检测，评估了分选过程对细胞活性、形貌和增殖的影响，结果显示，分选前后血红细胞和PC-9细胞的生物学行为无明显差异。综上所述，我们的实验结果表明，

8、耦合了介电泳单元和流体动力单元的微流控芯片可以实现血液中循环肿瘤细胞的分选，本工作也为构建多种细胞分选方法集成的微流控芯片提供了新思路和新途径。关键词：细胞分选；介电泳；流体动力；3D侧壁电极；PC-9癌细胞；血红细胞IIAbstractCellsortingiswidelyappliedinthefieldofbiologyorclinicalmedicine.Comparedwiththetraditionalflowcytometricsortingmethod,microf