[发明专利]一种螺旋回转形流道低温保护剂处理微流体芯片

说明书

一种螺旋回转形流道低温保护剂处理微流体芯片，用于向细胞悬浮液添加或去除低温保护剂。芯片包括细胞侧芯片、半透膜和置换侧芯片，细胞侧芯片和置换侧芯片均贴合在半透膜上；细胞侧芯片和置换侧芯片上均有微流道，且微流道均包括入口段、交换段和出口段；细胞侧芯片或置换侧芯片上微流道的交换段为形状相同的螺旋回转结构，在半透膜两侧对称布置。当用于低温保护剂处理时，细胞悬浮液和置换液在半透膜两侧微流道内逆向流动，在半透膜两侧形成连续的跨膜压，驱动溶液通过半透膜流动；细胞悬浮液在芯片中连续被浓缩或稀释，实现对细胞悬浮液中的低温保护剂浓度的控制，且可避免局部跨膜压突变引起的细胞损失。

技术领域

本发明涉及细胞低温保存领域，具体为用于向细胞悬浮液添加或去除低温保护剂的微流控芯片。

背景技术

低温保存广泛应用于稀有血型红细胞、干细胞、免疫细胞等生命材料的长期保存。虽然细胞可以在深低温下长期安全保存，但保存过程中的其他处理环节(如降温、复温等)都有可能对生物材料造成一定的损伤，即所谓的低温损伤。为了避免或减小低温损伤，常常在低温保存过程添加低温保护剂，以及在复苏冷冻细胞的过程中去除低温保护剂。

传统的低温保护剂添加或去除主要是基于离心分离的方法，但该方法存在一系列问题：一方面，该方法通常比较繁琐，例如一个单位的红细胞的去除低温保护剂操作耗时长达数个小时；另一方面，处理过程容易导致大量的细胞损失，例如据Antonenas等人报导脐带血干细胞在复温后去除低温保护剂过程中有核细胞损失的比例高达27.2％(BoneMarrow Transplantation,2004,34,739)。

为解决离心式低温保护剂处理方法的相关问题，中国专利ZL200720037535.1和ZL201210032654.3先后提出了运用透析和超滤原理的膜分离式低温保护剂处理方法。但这些方法应用宏观流动装置(特别是商用透析器、超滤器)进行处理，对处理对象的体积有限制，难以处理小体积对象。一些文献提出了应用微流控式低温保护剂处理方法，可以处理小体积对象，但传质效率差，处理通量低，如Song等采用具有S形流道的微流控处理系统，处理通量仅为2微升/分钟(Lab on a Chip,2009,9,1874–1881)。

膜分离法和微流控法的结合有望更好地适应小体积对象的处理需求，即通过微流体在半透膜两侧的流动与跨膜传质实现安全高效的低温保护剂处理。但微流道的设计同样非常关键，因为流道的拓扑结构一方面影响了总体的传质效率，另一方面还影响膜两侧的跨膜压分布进而影响细胞安全性。传统的直流道或S形流道并不能真正发挥这两种方法结合的优势。直流道的主要问题在于，在有限的总体尺寸下直流道长度以及能够利用的膜面积有限，导致系统的传质效率仍然不足。例如Lusianti和Higgins采用具有直流道的微流控系统，仿真和实验证明需要多级串连也才实现充分的低温保护剂处理(Biomicrofluidics,2014,8,054124)。S形流道的主要问题在于，流道在每个回转部位都存在压力梯度以及相应的跨膜压突变，导致在该部位细胞安全性存在不可控隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺旋回转形流道低温保护剂处理微流体芯片，运用螺旋回转形的流道拓扑结构，使得在有限的总体尺寸下获得更大的流道长度，提高处理效率，并且维持流道内均匀的压力梯度，避免跨膜压突变引起的细胞损伤风险。