單細胞捕捉微流控芯片設計及流場分析*

饒成飛，楊 鐸

（大連大學機械工程學院，遼寧大連 116622）

0 引言

在微流控芯片的眾多應用中，研究者們更加關注其在生物醫學研究方面特別是細胞分析領域中所發揮的作用，例如多細胞共同培養相互作用[1]、體外細胞微環境的構建與模擬[2]、單細胞分析[3]以及器官芯片[4]等。微流控芯片一直以成本低、穩定性好以及無毒等特點被廣泛使用，其優點極大程度上符合生物醫學對細胞等生物樣品進行捕獲、培養、實驗、檢測等操作。

在生物醫學研究方面，細胞捕獲和細胞培養一直以來是研究的熱點，其是后續對細胞進行實驗、分析、檢測等操作的基礎，因此芯片對細胞的捕獲效率以及培養細胞的環境對細胞的危害程度是研究人員所關注的重點。由于芯片的特征尺寸與細胞和其他微生物實體的大小相近，因此更有利于對少量細胞甚至是單個細胞的操控和分析。根據單細胞捕獲過程中細胞與表面有無接觸可將單細胞捕獲分為3類：（1）無表面接觸捕獲，例如磁力捕獲[5]、電泳捕獲[6]；（2）表面接觸捕獲，主要包括化學法捕獲[7]和流體動力學法捕獲[8]；（3）通過膠體（如水凝膠）的方式捕獲[9]?；诹黧w動力學的單細胞捕獲是根據細胞大小，在微流控芯片的微通道內設置與細胞大小相匹配的機械障礙，將細胞固定在某一區域內，從而達到分離細胞的目的。在微流控芯片內構建與細胞大小相近的單細胞捕獲微阱陣列，然后通入含有大量細胞的懸浮液，細胞在流動過程中受到流體剪切力的作用會流向單細胞捕獲微阱陣列中，在微阱陣列中的細胞由于受到微阱的阻擋作用從而實現單細胞捕獲[10]。

本文設計了3種具有不同尺寸微壩的微流控芯片，由于流體流速會對細胞和芯片的捕獲效率產生影響[11]，故利用仿真軟件分析比較了3種不同芯片中流體、流速的大小變化情況。通過流體流速的大小變化判斷細胞的變形程度進而判斷芯片的捕獲效率，為之后的細胞捕獲、細胞培養以及實驗提供了參考。

1 微流控芯片設計

本文設計了一個集細胞捕獲及細胞培養于一體的微流控芯片，細胞捕獲區域即是細胞培養區域，加工芯片時更容易，操作更簡單。從圖1可以看出，帶有細胞的懸浮液在注射泵的作用下從入口儲液池以一定的流速進入芯片中，在壓差作用下，流體進入捕獲區域，在微壩的阻礙作用下，細胞會被固定住，與微壩尺寸不一的細胞則在流體的攜帶下流入出口通道，從出口通道流入出口儲液池中排出。入口儲液池設置深度為200μm，與細胞捕獲區域連接的通道開在距其底部50μm，主要起到緩沖作用，讓細胞懸浮液短暫停留，防止流體在進入細胞捕獲區域時速度過快形成沖擊，對細胞產生損壞。由于細胞捕獲區即細胞培養區，細胞捕獲完對細胞進行培養時，考慮到培養液在泵入細胞培養區時會產生沖擊力，從而對細胞產生損害，為了盡量減少對細胞的損害，設計時選擇將培養液從芯片側面的入口儲液池泵入，短暫停留，再流入細胞培養區，最后從出口儲液池排出。為了使培養液均勻分布在細胞培養區，每一列微壩側面都設置了培養液通道。因為培養液是從微壩側面進入培養區，而被捕獲的細胞停留在微壩內部，所以培養液對細胞所產生的沖擊作用被降低了。

圖1 芯片結構

由于細胞大小不一致，為了盡量防止細胞堵塞問題，微壩之間的距離應大于最大細胞尺寸[12]，故根據成骨細胞被胰蛋白酶消化后的尺寸在10～40μm之間以及本身的形狀，考慮選取微壩之間的間距為50μm，微壩下端口分別設置為10μm、20μm、30μm，微壩上端口均設置為50μm，如圖2所示，排列方式如圖3所示。

圖2 3種微壩結構

圖3 微壩排列

2 細胞捕獲和培養過程的流場仿真

2.1 幾何模型

利用AutoCAD軟件建立了微流控芯片中細胞捕獲和培養過程二維簡化幾何模型，如圖4～5所示。

圖4 細胞捕獲過程二維簡化幾何模型

圖5 細胞培養過程二維簡化幾何模型

2.2 流體動力學理論

2.3 細胞捕獲和培養過程流場分析仿真初始條件設置

在Comsol中選擇層流物理場，流體材料設置為水，壁面無滑移，入口流體流速設為0.01 m/s，出口處壓強設為大氣壓強，即為0Pa。網格劃分選擇極細化，如圖6所示。

圖6 網格劃分

2.4 仿真結果分析

2.4.1 細胞捕獲過程仿真

仿真時，設置相同的初始條件，通過Comsol得到3種不同微壩芯片內部流場速度云圖，如圖7～9所示。

圖7 下端開口10μm微壩芯片捕獲過程內部流場速度云圖

圖8 下端開口20μm微壩芯片捕獲過程內部流場速度云圖

圖9 下端開口30μm微壩芯片捕獲過程內部流場速度云圖

從圖7～9中可以看出，3種芯片內部流場速度分布很均勻，微壩內部的速度明顯低于周邊的速度，利于細胞的捕獲。從3種不同尺寸的微壩陣列中選取了前8列每列微壩的第2個（自下而上）微壩中的相同點，得到其在速度場中的數值，通過Origin將所得的數值整合成折線圖，如圖10所示，所選取的8個點在Comsol中的坐標如表1所示。微壩陣列中流體流速會影響單細胞完成捕獲的時間和效率，也會影響流體對細胞產生的剪切力作用[16]。從圖中可以得出：當初始條件相同時，在微壩陣列相同位置處，下端開口尺寸為10μm的微壩內部流速最低，流體對細胞產生的作用力最小，細胞變形程度最小，細胞最容易被留在微壩中，最有利于細胞捕獲。

圖10 3種不同尺寸微壩芯片捕獲過程內部流場速度變化

相對位置a b c d坐標(-17 330,4 448.4)(-17 230,4 507.6)(-17 126,4 447.2)(-17 029,4 509.5)相對位置e f g h坐標(-16 928,4 446.4)(-16 829,4 507.6)(-16 729,4 446.2)（-16 630,4 506.5）

表1 捕獲過程選取的坐標點

2.4.2 細胞培養過程仿真

仿真時，設置相同的初始條件，通過Comsol得到3種不同微壩芯片內部流場速度云圖，如圖11～13所示。

圖11 下端開口10μm微壩芯片培養過程內部流場速度云圖

圖12 下端開口20μm微壩芯片培養過程內部流場速度云圖

圖13 下端開口30μm微壩芯片培養過程內部流場速度云圖

從圖11～13中可以看出，3種芯片內部流場分布很相似，微壩中的流速低于微壩周邊的流速，利于細胞培養。從3種不同尺寸的微壩陣列中選取了每列微壩的第2個（自下而上）微壩中的相同點，得到其在速度場中的數值，通過Origin將所得的數值整合成折線圖，如圖14所示，所選取的8個點做Comsol中的坐標如表2所示。從圖中可以看出：當初始條件相同時，在微壩陣列相同位置處，下端開口尺寸為10μm的微壩內部流速最低，流體對細胞產生的作用力最小，故流體對細胞的傷害程度最低，越有利于細胞培養。

圖14 3種不同尺寸微壩芯片培養過程內部流場速度變化

表2 培養過程所選取的坐標點

3 結束語

本文基于流體動力學設計了3種具有不同尺寸微壩結構的微流控芯片，用于對不同尺寸細胞的捕獲與培養。著重通過Comsol軟件對細胞捕獲和培養過程中流場分布進行了模擬分析，得到芯片內部流場速度云圖，比較分析了3種不同尺寸微壩陣列中相同位置點的流速，得出下端開口尺寸越小的微壩內部流速越低，流體對細胞產生的剪切力作用越小，更有利于細胞的捕獲和培養，為之后的實驗提供了參考條件，具有一定的指導意義。