專利名稱：一種基于磁場過濾而形成高磁場梯度的單細(xì)胞圖形化芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物微系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁場過濾而形成高磁場梯度的單細(xì)胞圖形化芯片。
背景技術(shù)：
大部分傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)得到的 數(shù)據(jù)都是大量細(xì)胞的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。然而細(xì)胞由于離子通道狀態(tài)的不同、細(xì)胞骨架的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)、細(xì)胞內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的不同等原因，具有個(gè)體的差異性。傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)往往忽略了單個(gè)細(xì)胞的差異性所攜帶的豐富的信息。有關(guān)研究表明，癌細(xì)胞強(qiáng)大的適應(yīng)性和抗藥性來源于癌細(xì)胞的個(gè)體差異，因此對(duì)異質(zhì)性細(xì)胞的針對(duì)性研究對(duì)于探究癌細(xì)胞機(jī)理、研制抗癌藥物至關(guān)重要，而將細(xì)胞圖形化為單細(xì)胞陣列是實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞異質(zhì)性檢測的重要方法和途徑?；谖⒕€圈陣列的細(xì)胞圖形化芯片是一種基于MEMS微加工技術(shù)、具有圖形化微線圈陣列的芯片，它具有磁場梯度大、圖形化效率高等特點(diǎn)。其工作原理如下利用圖形化微線圈陣列形成梯度磁場，即在線圈區(qū)域內(nèi)能產(chǎn)生一個(gè)中間磁感應(yīng)強(qiáng)度大，外圍磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小的磁場,這樣的磁場就會(huì)像一個(gè)無形的牢籠,將磁性顆粒向中心吸引，磁性顆粒一旦進(jìn)入磁場內(nèi)部，若沒有足夠的力就無法使其脫離該磁場的束縛。而我們可以將細(xì)胞通過特定方法連接上磁性顆粒，即可將細(xì)胞和磁性顆粒作為一個(gè)帶磁性的整體(此方法我們已經(jīng)掌握)，所以我們可以通過圖形化的微線圈形成的圖形化梯度磁場捕獲細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的圖形化。近年來隨著微納制造技術(shù)的高速發(fā)展,利用微納制造技術(shù)制作的芯片實(shí)驗(yàn)室成為下一代單細(xì)胞檢測的工具。目前單細(xì)胞陣列手段主要分為兩類一類是利用生物化學(xué)手段在基板上對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)、多肽或者其他聚合物進(jìn)行圖形化，造成細(xì)胞對(duì)基板上不同位置的親和性的差異，從而實(shí)現(xiàn)圖形化。2006年加州大學(xué)伯克利分校的Dino Di Carlo, Liz Y.Wu等人用PDMS制作了一套微流體系統(tǒng)來對(duì)細(xì)胞進(jìn)行攔截，從而形成單細(xì)胞陣列；由于這類方法將細(xì)胞限制在基板上而易造成細(xì)胞的變形和凋亡，不適合用于診斷和細(xì)胞動(dòng)態(tài)分析。另一類是利用物理的方法，如微流體、介電泳、微磁場等方法對(duì)細(xì)胞進(jìn)行定位。2003年M. Fre^ne^a等人利用負(fù)介電泳原理設(shè)計(jì)了一套微電極陣列，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞定位。這些方法對(duì)細(xì)胞的危害較小，且方便進(jìn)行疾病診斷、藥物篩選以及細(xì)胞動(dòng)態(tài)分析等操作，但只實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞定位，沒有實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞圖形化。同時(shí)，現(xiàn)在也有利用微線圈陣列形成的圖形化裝置，但其基于的MEMS制作工藝相對(duì)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服目前單細(xì)胞圖形化芯片制作工藝復(fù)雜、操作難度大的問題提供一種基于磁場過濾而形成高磁場梯度的單細(xì)胞圖形化芯片。一種基于磁場過濾而形成高磁場梯度的單細(xì)胞圖形化芯片，由磁源、磁過濾器和生物兼容性修飾層依次層疊而成，所述磁源為磁場強(qiáng)度大于O. 2T的永磁體；所述磁過濾器為具有小孔陣列的鐵磁體；所述生物兼容性修飾層為二氧化鈦、二氧化硅、聚乙烯、聚乳酸、聚酸酐、聚羥基烷酸酯或聚氨基酸。所述小孔陣列的單個(gè)小孔的直徑為I μ m-15 μ m。本發(fā)明的有益效果為利用磁源和磁過濾器形成梯度很高的磁陷阱陣列，將磁性顆粒向陷阱中心吸引，磁性顆粒一旦進(jìn)入磁場內(nèi)部，若沒有足夠的力就無法使其脫離該磁場的束縛，而形成的單個(gè)磁陷阱大小與單個(gè)細(xì)胞直徑大小接近，所以滿足一個(gè)磁陷阱只吸引一個(gè)細(xì)胞，保證形成的細(xì)胞陣列為單細(xì)胞陣列。該發(fā)明提高了細(xì)胞圖形化的效率，縮短細(xì)胞圖形化的周期，最為突出的特點(diǎn)是該芯片的制作工藝 非常簡單。


圖1為芯片整體結(jié)構(gòu)不意圖；圖2為磁場過濾器示意圖；圖3為磁場偏轉(zhuǎn)過濾示意圖；圖4為磁感線折射規(guī)律示意圖；其中各標(biāo)號(hào)為1-磁源，2-磁場過濾器，3-生物兼容性修飾層，4-小孔陣列。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。本發(fā)明提出的基于磁場過濾而形成高磁場梯度的單細(xì)胞圖形化芯片，由磁源、磁過濾器和生物兼容性修飾層組成，如圖1-2所示，其中磁源由釹鐵硼制成，小孔陣列的直徑為ΙΟμπι。生物兼容性修飾層為二氧化鈦，能保證吸附在其上的細(xì)胞活性不受到影響。根據(jù)磁場邊界條件理論若在磁源I上方加一相對(duì)磁導(dǎo)率高的帶小孔陣列4的鐵磁體2，因?yàn)榇鸥芯€由相對(duì)磁導(dǎo)率低的介質(zhì)進(jìn)入相對(duì)磁導(dǎo)率高的介質(zhì)，磁感線會(huì)進(jìn)入相對(duì)磁導(dǎo)率高的介質(zhì)后會(huì)向邊界處偏轉(zhuǎn)，小孔4的相對(duì)磁導(dǎo)率很低，鐵磁體2的相對(duì)磁導(dǎo)率很高，則帶小孔陣列4的鐵磁體2會(huì)對(duì)磁感線產(chǎn)生偏折，磁場偏折如圖3所示，從結(jié)果來看，帶小孔陣列4的鐵磁體2起到磁場過濾作用，方向朝著小孔4的磁感線直接穿過，幾乎不受影響，而要穿過鐵磁體2的磁感線將會(huì)被偏折，如圖4所示，將被限制在鐵磁體中，所以在小孔陣列4邊界區(qū)域內(nèi)磁場強(qiáng)度很大，而在小孔邊界外磁場強(qiáng)度很小，幾乎為零，所以通過磁源和磁過濾器可形成高梯度的磁場。即可形成直徑約IOym左右的磁陷阱陣列，而磁化顆粒在磁陷阱邊緣受到的磁力極大，能保證細(xì)胞能被束縛，而牢籠中心幾乎不受磁力，對(duì)細(xì)胞沒有影響。這由以下理論支撐當(dāng)順磁體未達(dá)到磁飽和狀態(tài)時(shí)，順磁體在真空中受到的磁力大小如公式(1-1)所示。
_9] ΓΜ+·(μ1)其中X為磁化系數(shù)；V為順磁體體積；μ ^為真空磁導(dǎo)率；Β為磁感應(yīng)強(qiáng)度；為磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度。當(dāng)順磁體達(dá)到磁飽和狀態(tài)時(shí)，其磁化強(qiáng)度為一常數(shù)，不隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化而變化，此時(shí)磁力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度的梯度成正比，如公式(1-2)所示。
Fm=mVB , 2)其中m為磁化強(qiáng)度；VB為磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度。以上兩式中的磁力Fm和磁感應(yīng)強(qiáng)度B均為矢量，磁力方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度的方向一致，指向|B I值大的方向。利用磁源和磁過濾器形成梯度很高的磁陷阱陣列，將磁性顆粒向陷阱中心吸引，磁性顆粒一旦進(jìn)入磁場內(nèi)部，若沒有足夠的力就無法使其脫離該磁場的束縛，而形成的單個(gè)磁陷阱大小與單個(gè)細(xì)胞直徑大小接近，所以滿足一個(gè)磁陷阱只吸引一個(gè)細(xì)胞，保證形成的細(xì)胞陣列為單細(xì)胞陣列。該發(fā)明提高了細(xì)胞圖形化的效率，縮短細(xì)胞圖形化的周期，最為突出的特點(diǎn)是該芯片的制作工藝非常簡單。上述芯片制作步驟 步驟1:用MEMS工藝制作帶小孔陣列的鐵磁體層；步驟2:在鐵磁體層上沉積生物兼容性薄膜；步驟3:將帶生物兼容性薄膜的鐵磁體和永磁體鍵合。
權(quán)利要求
1.一種基于磁場過濾而形成高磁場梯度的單細(xì)胞圖形化芯片，其特征在于，由磁源、 磁過濾器和生物兼容性修飾層依次層疊而成，所述磁源為磁場強(qiáng)度大于O. 2T的永磁體；所述磁過濾器為具有小孔陣列的鐵磁體；所述生物兼容性修飾層為二氧化鈦、二氧化硅、聚乙烯、聚乳酸、聚酸酐、聚羥基烷酸酯或聚氨基酸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于磁場過濾而形成高磁場梯度的單細(xì)胞圖形化芯片，其特征在于，所述小孔陣列的單個(gè)小孔的直徑為I μ m-15 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于生物微系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的一種基于磁場過濾而形成高磁場梯度的單細(xì)胞圖形化芯片。此芯片由磁源、磁過濾器和生物兼容性修飾層依次層疊而成，其中磁過濾器為帶小孔陣列的永磁體。本發(fā)明的芯片利用磁源和磁過濾器形成梯度很高的磁陷阱陣列，將磁性顆粒向陷阱中心吸引，磁性顆粒一旦進(jìn)入磁場內(nèi)部，若沒有足夠的力就無法使其脫離該磁場的束縛，而形成的單個(gè)磁陷阱大小與單個(gè)細(xì)胞直徑大小接近，所以滿足一個(gè)磁陷阱只吸引一個(gè)細(xì)胞，保證形成的細(xì)胞陣列為單細(xì)胞陣列。該發(fā)明提高了細(xì)胞圖形化的效率，縮短細(xì)胞圖形化的周期，最為突出的特點(diǎn)是該芯片的制作工藝非常簡單。
文檔編號(hào)C12M1/34GK102994379SQ20121047923
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者任大海, 尤政, 王俊, 謝錦宇 申請(qǐng)人:清華大學(xué)