一种声场力学势阱驱动的单细胞有序排列与包裹装置

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，特别涉及一种声场力学势阱驱动的单细胞有序排列与包裹装置及方法。

背景技术

当前，以癌症(恶性肿瘤)为典型代表的重大疾病，由于其发现难、诊断难、易转移等特点，彻底性治疗研究依然是挑战性难题。开展单细胞研究，从单细胞水平上揭示生命活动本质、探究重大疾病起因，是实现重大疾病早期诊断和彻底性治疗的关键支撑。

如何将单个细胞包裹在独立的微环境中，是开展单细胞研究的基本前提。作为天然微环境的微液滴，是单细胞包裹的理想结构。随着微纳加工技术的发展，微流控技术以其高分析效率、高精确度、集成化等优势，成为微液滴生成、单细胞包裹的重要技术手段。国内外学者从细胞的预排列和液滴生成控制方面，开展了大量的微液滴单细胞包裹的研究。

为了提高包裹效率和包裹率，经过国内外诸多学者的努力，被动式和主动式方法分别从细胞的预排列(Kamalakshakurup G,Lee A P. High-efficiency single cellencapsulation and size selective capture of cells in picoliter droplets basedon hydrodynamic micro-vortices[J]. Lab on a Chip,2017,17:4324–4333；HarringtonJ,Esteban L B,Butement J,et al.Dual dean entrainment with volume ratiomodulation for efficient droplet co-encapsulation:Extreme single-cellindexing[J]. Lab on a Chip,2021,21(17):3378–3386；Li L,Wu P,Luo Z,et al.DeanFlow Assisted Single Cell and Bead Encapsulation for High Performance SingleCell Expression Profiling[J].ACS Sensors,2019,4(5):1299– 1305.)和液滴生成控制方面(Wang H,Zhang W,Dai Z.A novel approach for encapsulating cells intomonodisperse picolitre droplets actuated by microfluidic pulse inertia force[J].Analytical Methods,2014,6: 9754–9760)开展了大量的研究，单细胞包裹微液滴技术取得了较快的发展。但目前还主要存在以下问题亟待解决：1)来自随机包裹的挑战，为了防止细胞团聚和提升单细胞包裹率，细胞需要高度稀释，导致空液滴的数量远远超过有细胞包裹的微液滴；2)被动式包裹方法依靠流道结构或惯性流体的作用可以实现对细胞样本的聚焦单排排列，但无法有效调整细胞间的排列间距，因此在保证细胞供给与液滴生成速率同步，实现微液滴精准包裹单细胞方面还有不足；3)现有的主动式包裹方法，可通过电学参数调控液滴生成的大小和速率来调整包裹细胞的个数，但由于细胞样本供给仍然是随机的，最终的单细胞包裹率仍然受泊松分布的限制，依然较低。

可见，由于悬浮细胞随机包裹的根本性问题，细胞样本供给仍然是随机的，单细胞包裹微液滴制备率低下，难以满足单细胞研究的需求，亟需探索新的方法和途径。

发明内容

为了克服上述技术方法的不足，促进单细胞包裹技术的发展，本发明的目的在于提供一种声场力学势阱驱动的单细胞有序排列与包裹装置及方法，采用微流控芯片阿基米德螺旋形叉指换能器和微流道结构的匹配设计，通过声-固-液多物理场耦合，构建声场力学势阱，为非接触振动“声筛”作用于悬浮细胞，诱导悬浮细胞在行进过程中形成趋向于声场力学势阱的单排排列，实现对悬浮细胞单排有序排列，然后依靠微液滴的生成过程实现单细胞的精准包裹。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种声场力学势阱驱动的单细胞有序排列与包裹装置，所述装置包括阿基米德螺旋形叉指换能器，所述阿基米德螺旋形叉指换能器上设置有阿基米德螺旋形叉指电极，阿基米德螺旋形叉指换能器上方设置有微阵列层，所述微阵列层上方设置有微流道系统，阿基米德螺旋形叉指换能器、微阵列层与微流道系统配合；所述微流道系统上安装有悬浮细胞入口接头、连续相入口接头和收集出口接头；所述微通道系统与所述微阵列层键合后形成封闭的微通道，用于容纳悬浮细胞溶液和连续相溶液样品，为悬浮细胞的有序排列和包裹细胞的微液滴生成提供环境并且将生成的液滴输送至收集出口；阿基米德螺旋形叉指换能器为声表面波激发器件，用以产生声表面波，进而诱导构建声场力学势阱。

进一步地，所述的微流道系统包括悬浮细胞入口、阿基米德螺旋形流道、直流道、连续相流道、连续相入口和收集出口，所述阿基米德螺旋形流道的入口端为悬浮细胞入口，阿基米德螺旋形流道的出口端与直流道的入口端连接贯通；所述直流道的出口端为收集出口；所述连续相流道的入口端为连续相入口，连续相流道的出口端与所述直流道的中部连接贯通；微流道系统上设置有第一通槽和第二通槽，用于和电极与输入导线连接。

进一步地，优选地，所述微流道系统的流道高度均为100微米，悬浮细胞入口、连续相入口和收集出口均为通孔。

进一步地，所述微流道系统的材质为聚二甲基硅氧烷。

进一步地，所述微阵列层由PDMS薄膜和沿阿基米德螺旋形分布的光敏树脂微柱阵列构成，光敏树脂微柱阵列采用3D打印方式制作。

进一步地，所述阿基米德螺旋形叉指换能器包括压电基底，所述压电基底上制作有等间距排列的阿基米德螺旋形叉指电极。

进一步地，所述的压电基底的材质为具有高机电耦合系数的压电晶片。

进一步地，所述的阿基米德螺旋形叉指电极的材质为含有纳米银的导电光敏树脂，可采用3D打印方式制作。

进一步地，所述微流道系统有流道的下表面键合在所述微阵列层有微柱的上表面；所述微阵列层无微柱的下表面键合在所述阿基米德螺旋形叉指换能器有电极的上表面上；所述连续相入口接头与所述连续相入口同轴配合并连接贯通；所述悬浮细胞入口与所述悬浮细胞入口接头同轴配合并连接贯通；所述收集出口接头与所述收集出口同轴配合并连接贯通；所述阿基米德螺旋形流道的极坐标中心与所述阿基米德螺旋形叉指电极的极坐标中心重合；所述阿基米德螺旋形流道与所述阿基米德螺旋形叉指电极交错分布，且所述阿基米德螺旋形流道两侧的流道壁与最近电极的距离相等。

进一步地，一种声场力学势阱驱动的单细胞有序排列与包裹装置的操作方法，包括以下步骤：

1)首先将声场调控的细胞有序排列与包裹微流控装置固定在安装有高速相机的显微镜载物台上，通过目镜观察确保阿基米德螺旋形流道302处于显微镜视场内并且无倾斜；

2)将悬浮细胞入口接头、连续相入口接头通过特氟龙软管分别与微量注射泵上的悬浮细胞注射器、连续相溶液注射器，收集出口接头，收集出口接头过特氟龙软管进行细胞包裹液滴收集；

3)开启并调节微量注射泵，注射器在微量注射泵的驱动下将悬浮细胞溶液压入悬浮细胞入口接头，经悬浮细胞入口进入并充满阿基米德螺旋形流道和直流道；

4)将经过功率放大器放大后的信号发生器的输出信号的正负两极分别与阿基米德螺旋形叉指电极的两极相连接，调节信号发生器的输出信号为正弦连续输出；

5)按下信号发生器和功率放大器的“输出”按钮，并设定相应的正弦交流电压输出值，阿基米德螺旋形叉指换能器在交流电压信号的激励下产生声表面波，在微流道中微阵列对声表面波传播路径的调控下，施加的声场会与微流体发生多物理场耦合形成单列力学势阱，作为非接触振动“声筛”作用于悬浮细胞，诱导悬浮细胞在行进过程中形成趋向于声场力学势阱的单排排列，悬浮细胞从而单排有序排列；

6)移动载物台，通过目镜观察确保直流道与连续相流道的贯通处置于显微镜视场内并且无倾斜，通过调控微量注射泵的输出参数，使直流道和连续相流道中的流体在直流道和连续相流道的连接贯通处形成不相溶的油水界面，并稳定生成微液滴，有序排列的细胞在微液滴生成过程中被微液滴有序的精准包裹；

7)包裹有细胞的微液滴经收集出口、收集出口接头流出而被收集。

进一步地，连续相溶液采用电子氟化油，悬浮细胞溶液为水溶液。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过微流控芯片阿基米德螺旋形叉指换能器和微流道结构的匹配设计，构建声场力学势阱，驱动细胞有序排列，可实现单细胞的精准包裹。

(2)本发明采用阿基米德螺旋形叉指换能器和微流道结构的螺旋结构设计，装置集成化高，体积小。

(3)本发明的叉指电极的材质为纳米银的导电光敏树脂，可采用3D打印方式快速制作。

附图说明

图1是本发明声场力学势阱驱动的单细胞有序排列与包裹装置的等轴侧视图；

图2中是微流道系统的上视图；

图3是微流道系统的下视图；

图4是微阵列层的上视图；

图5是微阵列层的前视图；

图6是阿基米德螺旋形叉指换能器的上视图；

图7是阿基米德螺旋形叉指换能器的下视图；

图8是本申请的原理图。

图中：

100阿基米德螺旋形叉指换能器，200微阵列层，300微流道系统，400 连续相入口接头，500收集出口接头，600悬浮细胞入口接头；

101阿基米德螺旋形叉指电极，102压电基底；

201光敏树脂微柱阵列，202PDMS薄膜；

301悬浮细胞入口，302阿基米德螺旋形流道，303连续相入口，304连续相流道，305收集出口，306直流道，307第二通槽，308第一通槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-8，一种声场力学势阱驱动的单细胞有序排列与包裹装置，所述装置包括阿基米德螺旋形叉指换能器100，所述阿基米德螺旋形叉指换能器 100上设置有阿基米德螺旋形叉指电极，阿基米德螺旋形叉指换能器100上方设置有微阵列层200，所述微阵列层200上方设置有微流道系统300，阿基米德螺旋形叉指换能器100、微阵列层200与微流道系统300配合；所述微流道系统300上安装有悬浮细胞入口接头600、连续相入口接头400和收集出口接头500；所述微通道系统300与所述微阵列层200键合后形成封闭的微通道，用于容纳悬浮细胞溶液和连续相溶液样品，为悬浮细胞的有序排列和包裹细胞的微液滴生成提供环境并且将生成的液滴输送至收集出口；阿基米德螺旋形叉指换能器100为声表面波激发器件，用以产生声表面波，进而诱导构建声场力学势阱。

所述的微流道系统300包括悬浮细胞入口301、阿基米德螺旋形流道302、直流道306、连续相流道304、连续相入口303和收集出口305，所述阿基米德螺旋形流道302的入口端为悬浮细胞入口301，阿基米德螺旋形流道302的出口端与直流道306的入口端连接贯通；所述直流道306的出口端为收集出口305；所述连续相流道304的入口端为连续相入口303，连续相流道304的出口端与所述直流道306的中部连接贯通；微流道系统300上设置有第一通槽308和第二通槽307，用于和电极与输入导线连接；采用阿基米德螺旋形流道的目的是为了依靠细胞在运动过程中所受的离心力，辅助声场力学势阱更好的实现对悬浮细胞的有序排列。

优选地，所述微流道系统300的流道高度均为100微米，悬浮细胞入口301、连续相入口303和收集出口305均为通孔。

优选地，所述微流道系统300的材质为聚二甲基硅氧烷。

所述微阵列层200由PDMS薄膜202和沿阿基米德螺旋形分布的光敏树脂微柱阵列201构成，光敏树脂微柱阵列201采用3D打印方式制作。

优选地，所述阿基米德螺旋形叉指换能器100包括压电基底102，所述压电基底102上制作有等间距排列的阿基米德螺旋形叉指电极101。

优选地，所述的压电基底102的材质为具有高机电耦合系数的压电晶片。

优选地，所述的阿基米德螺旋形叉指电极101的材质为含有纳米银的导电光敏树脂，可采用3D打印方式制作。

优选地，所述微流道系统300有流道的下表面键合在所述微阵列层200 有微柱的上表面；所述微阵列层200无微柱的下表面键合在所述阿基米德螺旋形叉指换能器100有电极的上表面上；所述连续相入口接头400与所述连续相入口303同轴配合并连接贯通；所述悬浮细胞入口301与所述悬浮细胞入口接头600同轴配合并连接贯通；所述收集出口接头500与所述收集出口 305同轴配合并连接贯通；所述阿基米德螺旋形流道302的极坐标中心与所述阿基米德螺旋形叉指电极101的极坐标中心重合；所述阿基米德螺旋形流道 302与所述阿基米德螺旋形叉指电极101交错分布，且所述阿基米德螺旋形流道302两侧的流道壁与最近电极的距离相等。

优选地，一种声场力学势阱驱动的单细胞有序排列与包裹装置的操作方法，包括以下步骤：

1)首先将声场调控的细胞有序排列与包裹微流控装置固定在安装有高速相机的显微镜载物台上，通过目镜观察确保阿基米德螺旋形流道302处于显微镜视场内并且无倾斜；

2)将悬浮细胞入口接头600、连续相入口接头400通过特氟龙软管分别与微量注射泵上的悬浮细胞注射器、连续相溶液注射器，收集出口接头500，收集出口接头500通过特氟龙软管进行细胞包裹液滴收集；

3)开启并调节微量注射泵，注射器在微量注射泵的驱动下将悬浮细胞溶液压入悬浮细胞入口接头600，经悬浮细胞入口301进入并充满阿基米德螺旋形流道302和直流道306；

4)将经过功率放大器放大后的信号发生器的输出信号的正负两极分别与阿基米德螺旋形叉指电极101的两极相连接，调节信号发生器的输出信号为正弦连续输出；

5)按下信号发生器和功率放大器的“输出”按钮，并设定相应的正弦交流电压输出值，阿基米德螺旋形叉指换能器100在交流电压信号的激励下产生声表面波，在微流道中微阵列对声表面波传播路径的调控下，施加的声场会与微流体发生多物理场耦合形成单列力学势阱，作为非接触振动“声筛”作用于悬浮细胞，诱导悬浮细胞在行进过程中形成趋向于声场力学势阱的单排排列，悬浮细胞从而单排有序排列；

6)移动载物台，通过目镜观察确保直流道306与连续相流道304的贯通处置于显微镜视场内并且无倾斜，通过调控微量注射泵的输出参数，使直流道306和连续相流道304中的流体在直流道306和连续相流道304的连接贯通处形成不相溶的油水界面，并稳定生成微液滴，有序排列的细胞在微液滴生成过程中被微液滴有序的精准包裹；

7)包裹有细胞的微液滴经收集出口305、收集出口接头500流出而被收集。

优选地，连续相溶液采用电子氟化油，悬浮细胞溶液为水溶液。

参照图1-8，声场力学势阱驱动的单细胞有序排列与包裹的过程为：在微量注射泵的驱动下，悬浮细胞溶液通过悬浮细胞入口接头600、悬浮细胞入口 301，悬浮细胞溶液充满阿基米德螺旋形流道302，连续相溶液通过连续相入口接头400、连续相入口303，连续相溶液充满连续相流道304和直流道306；将经过功率放大器放大后的信号发生器的输出信号的正负两极分别与阿基米德螺旋形叉指电极101的两极相连接，调节信号发生器的输出信号为正弦连续输出；按下信号发生器和功率放大器的“输出”按钮，并设定相应的正弦交流电压输出值，阿基米德螺旋形叉指换能器100在交流电压信号的激励下产生声表面波，在微流道中微阵列对声表面波传播路径的调控下，施加的声场会与微流体发生多物理场耦合形成单列力学势阱，作为非接触振动“声筛”作用于悬浮细胞，诱导悬浮细胞在行进过程中形成趋向于声场力学势阱的单排排列，悬浮细胞从而单排有序排列；通过微量注射泵调节悬浮细胞溶液和连续相溶液的输入压力，实现连续相溶液对分散相溶液的剪切，从而稳定生成微液滴，有序排列的细胞在微液滴生成过程中被微液滴有序的精准包裹；最后包裹有细胞的微液滴经收集出口305、收集出口接头500流出而被收集。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。