文献综述
1.课题研究的现状和发展趋势
微流控芯片(microfluidics)技术是在芯片上对化学或生物样品进行操作和检测的一项新兴技术,具有样品体积小检测效率高使用成本低易于和其他技术设备集成以及兼容性好等特点微流控芯片(microfluidics)又称微流控芯片实验室或芯片实验室(lab-on-a-chip,LOC),是指在一块几平方厘米的芯片上构建化学或生物实验室[1]20世纪80年代末,Terry等在硅芯片上构建了一个气相层析装置对空气进行分析,首次出现了微全分析系统的应用20世纪90年代初,Manz等开展了芯片电泳的研究,以芯片毛细管电泳作为微流控技术的早期形式并最早提出微全分析系统的概念2004年美国Business 2.0杂志将芯片实验Nature杂志发表了一期有关“芯片实验室”的专辑,重点介绍了这一新技术当前微流控产品的市场年递增速率为15.5%,预计2014年的市场价值将超过30亿美元微流控技术因其所需样品体积小检测效率高使用成本低且易于和其他技术设备集成,具有良好的兼容性有望实现便携式检测装置等特点,吸引了众多研究者的关注[2]
在微流控技术的众多应用中,人们更加关注其在生命科学领域尤其是细胞分析领域所能发挥的作用,例如细胞-细胞共培养和相互作用体外细胞微环境的构建和模拟单细胞操控和分析以及芯片器官等[3]除上述优势满足了生命科学对细胞等生物样品进行更高效更灵敏更快速分离分析的需求外,微流控系统特征长度的尺度与细胞和其他微生物实体的大小相称,更有利于对少量细胞甚至是单个细胞的操控和分析而且,大多数生物体系中都会涉及到微米甚至纳米尺度下的物质或信号传递,特别是在细胞-细胞间相互作用及通讯中,这使得能够应用微流控技术在体外有效模拟细胞微环境尤其是模拟可溶性因子所构成的微环境随着微纳米技术和微流体技术的发展,细胞操纵技术正在朝着更精细的操作方式发展微流体是一种可以操作微量级至10-9到10-18升液体的微小器件,在微流体芯片上往往集成有许多细小的流道,以便液体通过以及进行操作由于在微流控芯片中对于细胞的研究更接近细胞在体内的真实状态;同时,微流控芯片具有分离效率高分析速度快分离模式多所需样品少应用范围广自动化程度高等优点这一系列的优点都使得它在时间和空间上为分子和细胞的分离纯化分析提供了更好的方法[4]。
2.课题的研究方向及已有成果
本课题主要研究微流控芯片在细胞操控领域的应用，比如细胞分选与捕获。细胞捕获和分选是指从非均一的细胞群体中固定、收集指定特征细胞的技术，如从外周血中捕获循环肿瘤细胞，是细胞操控研究中重要的两个部分[5]。从成分不均一的各种细 胞生物液中捕获分离目标细胞是一种重要的工程技术，无论在科学研究领域还是在实际临床应用中都具有重要的意义[6]。目前，传统的细胞操控方式，如光镊技术、显微技术，虽能精准操控单个细胞，甚至更为微小的细胞器，但存在对设备依赖性强、操作效率低、有创操作等诸多问题，在高通量、高效率等场合下难以胜任。与传统的细胞操控方式相比，微流控技术具有成本低廉、耗样量低、分析速度快、灵敏度高、通量高等优势，可以弥补传统的细胞操控方式的不足[11]。
近些年来，人们对于基于微流控芯片的细胞操纵的研究已有了许多的研究成果。比如对于细胞的分选，国内外研究人员通过多种技术手段开发了不同种类的细胞筛选仪器，从而实现区分具有功能差异的生物细胞[12]。 目前，基于分选原理的区别，适合于微流控芯片的细胞分选方法主要分为主动式细胞分选与被动式细胞分选。其中主动式细胞分选法主要包括荧光激活细胞分类术分选法、磁操控分选法、双向电泳分选法、光学镊子分选法、超声波分选法;被动式细胞分选法主要包括机械操控分选法、流体动力分选法、捏流分选法，亲和性分选法、惯性微流分选法[13]。基于以上的方式,研究人员开发了一种利用重力对不同类型的细胞进行筛选的PDMS微流控芯片。该芯片利用了水力聚焦技术，通过鞘流使细胞混合液在主通道中形成单细胞流，当单细胞流进入细胞分离通道时，由于细胞分离通道宽度逐渐增加，在重力场的作用下，不同质量的细胞在垂直方向位移的产生差异，通过该差异设计芯片结构进行细胞的分离[16]。其工作原理如图1
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