基于人工結(jié)構(gòu)聲場(chǎng)的微流體系統(tǒng)及操控微粒的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)涉及本申請(qǐng)涉及微流體控制技術(shù)，尤其涉及一種基于人工結(jié)構(gòu)聲場(chǎng)的微流體系統(tǒng)及操控微粒的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微流控芯片又被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab on a chip)，具有微型化、集成化、尚通量、低能耗、快速分析等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境等領(lǐng)域。在微流體分析檢測(cè)過(guò)程中，細(xì)胞、DNA、蛋白質(zhì)、聚苯乙烯微球、納米金等微納顆粒需要經(jīng)微流體輸運(yùn)至樣本制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等功能單元。因此，精確、快速的微納顆粒輸運(yùn)技術(shù)為微流體流動(dòng)提供了必要的動(dòng)力和精確控制，是微流體設(shè)備至關(guān)重要的功能模塊。
[0003]當(dāng)前微納顆粒輸運(yùn)技術(shù)主要借助微流體栗、微流體腔道、微流體閥門等微流體器件聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)。根據(jù)微流體栗的類型劃分，這些微納顆粒輸運(yùn)技術(shù)又可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式技術(shù)利用表面張力等微流體自身特性作為驅(qū)動(dòng)力，因此不需要復(fù)雜、昂貴的外圍設(shè)備，適用于各種便攜式微流體器件。但是，由于被動(dòng)式技術(shù)無(wú)法根據(jù)需要對(duì)流動(dòng)方向和流量進(jìn)行實(shí)時(shí)靈活的調(diào)控，因此，被動(dòng)式技術(shù)不適用于需對(duì)微流體進(jìn)行復(fù)雜多步操作的生化免疫分析等領(lǐng)域。與被動(dòng)式技術(shù)相比，基于光動(dòng)力、電滲流、電泳、磁泳、介電泳、聲微流等機(jī)制的主動(dòng)式技術(shù)，主要利用電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光場(chǎng)、聲場(chǎng)等外加力場(chǎng)驅(qū)動(dòng)微流體流動(dòng)，可提供更加靈活的微流體操作。但是，主動(dòng)式技術(shù)存在工藝復(fù)雜、需要在微腔道內(nèi)引入活動(dòng)部件、性能不穩(wěn)定等方面的缺點(diǎn)。另外，由于上述微流體技術(shù)均需要在微腔道內(nèi)進(jìn)行，因此還存在著懸浮顆粒堵塞腔道的問(wèn)題，這限制了器件的通量和使用次數(shù)。
[0004]沒(méi)有微流體腔道的微腔型微流體設(shè)備不僅工藝簡(jiǎn)單，還具有不堵塞腔道的優(yōu)點(diǎn)，因此成為微流體設(shè)備研發(fā)的新方向。利用電場(chǎng)，已開發(fā)出了針對(duì)液滴的微腔性微流體設(shè)備，但是該系統(tǒng)不適用于連續(xù)流?；贛EMS工藝，叉指換能器激勵(lì)ZnO薄膜振動(dòng)產(chǎn)生的A。模式蘭姆波可誘發(fā)聲流效應(yīng)輸運(yùn)微納顆粒，但是該方法產(chǎn)生的流動(dòng)為整體性的直線流動(dòng)，難以根據(jù)需要改變流動(dòng)方向形成復(fù)雜路徑。近年來(lái)，利用氣泡振動(dòng)產(chǎn)生的聲微流實(shí)現(xiàn)了微納顆粒的輸運(yùn)，但是由于氣泡不均一、不穩(wěn)定、不易捕獲，故難以根據(jù)需要構(gòu)建氣泡陣列形成復(fù)雜的輸運(yùn)路徑。因此，連續(xù)流條件下，在微腔內(nèi)沿任意路徑輸運(yùn)微納顆粒成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)，制約了微腔性微流體設(shè)備的發(fā)展。
[0005]而在藥物遞送技術(shù)領(lǐng)域，安全高效的藥物遞送技術(shù)是藥物研發(fā)、癌癥研究、多功能干細(xì)胞誘導(dǎo)和組織工程等領(lǐng)域的核心技術(shù)。因此，研究開發(fā)安全可靠、高效精確、易于操作的藥物遞送技術(shù)已成為備受矚目的前沿方向之一。
[0006]當(dāng)前的藥物遞送技術(shù)主要分為三種:生物學(xué)方法、化學(xué)方法和物理方法。生物學(xué)方法即病毒介導(dǎo)的遞送技術(shù)，具有效率高、易于操作的優(yōu)點(diǎn)，但是存在免疫原性、細(xì)胞毒性和致癌性的問(wèn)題，因此安全性難以保障?；瘜W(xué)方法是當(dāng)前研究中廣泛采用的方法，包括陽(yáng)離子脂質(zhì)體法、陽(yáng)離子多聚物法、陽(yáng)離子氨基酸法等方法。該方法的效率低，依賴于細(xì)胞類型，且存在藥物泄露、穩(wěn)定性等問(wèn)題。
[0007]相比較前兩種方法，物理遞送方法具有安全簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，主要包括微注射法、電致穿孔法、激光法和超聲法(聲致穿孔)等方法。微注射法通過(guò)微管將核酸直接注入細(xì)胞質(zhì)或者細(xì)胞核，該方法不適合系統(tǒng)性遞送、對(duì)操作技能要求較高、通常會(huì)引起細(xì)胞死亡。電致穿孔法是一種簡(jiǎn)單、快速、高通量、應(yīng)用最廣泛的物理遞送方法。該方法利用高強(qiáng)度電脈沖對(duì)細(xì)胞膜造成穿孔，增強(qiáng)細(xì)胞膜的通透性，使藥物可穿過(guò)孔洞進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)。但電致穿孔法的細(xì)胞死亡率較高。激光法利用激光脈沖對(duì)細(xì)胞膜輻射產(chǎn)生瞬時(shí)小孔，將外源核酸輸送至細(xì)胞內(nèi)。該方法可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞膜上精確、定點(diǎn)開孔，但是激光系統(tǒng)的造價(jià)昂貴。
[0008]超聲遞送藥物技術(shù)因具有非接觸、無(wú)創(chuàng)、低廉、普遍適用性等優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛的關(guān)注。與電致穿孔法類似，當(dāng)前超聲遞送藥物技術(shù)是基于超聲聯(lián)合超聲造影劑微泡對(duì)細(xì)胞穿孔的生物物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，這一過(guò)程也被稱為聲致穿孔效應(yīng)(sonopor at i on ):微泡在超聲場(chǎng)中的慣性空化或者穩(wěn)態(tài)空化，及伴隨的聲輻射力、微射流(micro jet)、聲微流(micro-streaming)、剪切力等效應(yīng)，在細(xì)胞膜表面產(chǎn)生可修復(fù)的幾十納米至幾百納米大小的孔隙，從而增強(qiáng)了細(xì)胞膜的通透性，使得細(xì)胞外的DNA、蛋白質(zhì)等生物大分子可穿過(guò)小孔進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用。但是，微泡不穩(wěn)定、尺寸不均一，難以對(duì)微氣泡群的空化進(jìn)行精確調(diào)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于人工結(jié)構(gòu)聲場(chǎng)的微流體系統(tǒng)及操控微粒的方法。
[0010]根據(jù)本申請(qǐng)的第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于人工結(jié)構(gòu)聲場(chǎng)的微流體系統(tǒng)，包括微腔和超聲波發(fā)射裝置，所述微腔用于盛放含有微粒的溶液，所述超聲波發(fā)射裝置用于發(fā)射超聲波，還包括置于所述微腔內(nèi)的聲子晶體板，所述聲子晶體板為人工周期結(jié)構(gòu)，用于調(diào)制聲場(chǎng)對(duì)所述微粒進(jìn)行操控。
[0011]所述聲子晶體板包括基板和設(shè)置在所述基板下表面的多個(gè)凸條，所述凸條平行設(shè)置且間隔相等。
[0012]所述凸條為曲線形或封閉的環(huán)形。
[0013]所述凸條的橫截面包括長(zhǎng)方形、三角形、多邊形或半圓形。
[0014]所述凸條的橫截面為長(zhǎng)方形，所述長(zhǎng)方形的中心線之間的間距為d，所述基板的厚度為 h2，則 0.15 ( h2/d 彡 0.25。
[0015]所述長(zhǎng)方形的寬、所述長(zhǎng)方形的高及所述基板的厚度相等。
[0016]所述超聲波發(fā)射裝置包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、超聲換能器和超聲電子控制裝置，所述信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，所述功率放大器用于將所述發(fā)射信號(hào)放大，所述超聲換能器用于將放大后的發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波，所述超聲電子控制裝置用于設(shè)置所述信號(hào)發(fā)生器和所述功率放大器的參數(shù)，以及用于設(shè)置所述超聲換能器的開啟和關(guān)閉。
[0017]所述微腔包括上底、下底和側(cè)壁，所述側(cè)壁圍出內(nèi)腔且兩端設(shè)有開口，所述上底和所述下底分別設(shè)置在所述開口處。
[0018]所述上底和所述下底由石英玻璃制成，所述側(cè)壁由PDMS或者玻璃制成。
[0019]根據(jù)本申請(qǐng)的第二方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N基于人工結(jié)構(gòu)聲場(chǎng)的微流體操控微粒的方法，包括:
將聲子晶體板置于微腔內(nèi)，所述聲子晶體板為人工周期結(jié)構(gòu)； 加入含有微粒的溶液；
超聲波發(fā)射裝置發(fā)射超聲波，通過(guò)所述聲子晶體板對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制；
所述聲子晶體板基于所述調(diào)制對(duì)所述微粒進(jìn)行操控。
[0020]上述方法中，所述聲子晶體板基于所述調(diào)制對(duì)所述微粒進(jìn)行操控，包括:
所述聲子晶體板基于所述調(diào)制聲場(chǎng)誘發(fā)的聲輻射力對(duì)微納顆粒進(jìn)行輸運(yùn)；
所述聲子晶體板基于所述調(diào)制聲場(chǎng)產(chǎn)生的聲輻射力捕獲、排列細(xì)胞形成細(xì)胞陣列，以及產(chǎn)生微渦旋陣列對(duì)細(xì)胞陣列產(chǎn)生剪切力，誘發(fā)細(xì)胞裂解或者可調(diào)控聲致穿孔效應(yīng)。
[0021 ] 上述方法中，所述聲子晶體板基于所述調(diào)制對(duì)所述微粒進(jìn)行操控，還包括:
通過(guò)設(shè)置所述聲子晶體板上的凸條排列的圖案調(diào)整所述微納顆粒的輸運(yùn)路徑；
通過(guò)設(shè)置所述聲子晶體板的基板的厚度、所述凸條的間隔調(diào)控所述微渦旋陣列的尺寸。
[0022]上述方法中，所述超聲波發(fā)射裝置發(fā)射超聲波，通過(guò)所述聲子晶體板對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，具體包括:
所述超聲波發(fā)射裝置用于發(fā)射脈沖波時(shí)，信號(hào)的中心頻率為所述聲子晶體板的共振頻率，帶寬15%?100%，通過(guò)改變電壓的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)輸運(yùn)速度的調(diào)控；
所述超聲波發(fā)射裝置用于發(fā)射連續(xù)波時(shí)，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)為所述聲子晶體板的共振頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微納顆粒進(jìn)行捕獲。
[0023]上述方法中，所述超聲波發(fā)射裝置發(fā)射超聲波，