一种基于微流控技术的外泌体分离装置及其方法

本发明涉及属于外泌体分离的，特别是涉及一种基于微流控技术的外泌体分离装置及其方法。

背景技术：

1、外泌体的形成过程是细胞质膜内陷形成内体，内体膜进一步向内出芽形成管腔状囊泡，从而转变为具有动态亚细胞结构的多囊泡体，当多囊泡体与溶酶体融合后，多囊泡体内的囊泡会发生降解，而当多囊泡体与胞膜融合后，多囊泡体内的囊泡会再次凹陷，以内出芽方式形成颗粒状小囊泡，并释放入细胞外环境。由于细胞在内陷过程中的不均一性，以及细胞内多囊泡体成熟过程中存在的蛋白质分类机制，使得外泌体在尺寸以及包含的内容物上存在较大的差异，即不同组织细胞分泌的外泌体所携带的内容物存在差异，同一组织在不同状态(例如：健康或疾病，静息或运动)时所分泌的外泌体内容物也有较大差异。由于外泌体所具有的异质性的特点，使得其在疾病的诊断、分型、分期、预后以及治疗方面都具有重大意义。

2、外泌体的尺寸大小一般是30nm～150nm，其所在体液内存在大量不同种类的颗粒(如：核外颗粒体、凋亡小体等密度和结构与外泌体十分接近的胞外囊泡)以及各类与外泌体尺寸范围有重合的纳米级颗粒(如脂蛋白和逆转录病毒等)。目前对外泌体的分离所使用的常规方案主要包括密度梯度离心法、超滤离心法以及免疫磁珠法，但上述方法在设备、试剂成本、操作复杂度、对外泌体损害程度以及分离纯度等方面还存在不同程度的缺陷。

3、微流控技术作为一项对于微量液体及其中的微纳米级别颗粒(如细胞、微球、生物大分子等)实现精准操控的新兴技术，近年来无论在生命科学基础研究或是临床医学诊疗方向均得到了广泛的应用。利用微流控技术实现外泌体的分离捕获也逐渐得到了本领域研究人员的重视，微流控技术领域经过多年的技术发展与积累，已经开发出一系列可用于操控微小尺度颗粒的成熟技术方案，例如：介电泳技术以及确定性侧向位移技术，其中，确定性侧向位移技术对于与外泌体大小相近的胞外纳米颗粒的分离有较大困难，而介电泳技术的作用相比于分离微米颗粒，其在纳米尺度下的分离效果大大减弱，因此，如何将两种技术进行综合作用以取长补短，从而提高外泌体的分离效率成为当下亟待解决的难题。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微流控技术的外泌体分离装置及其方法，用于解决现有技术中外泌体的分离效率低以及分离纯度差的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于微流控技术的外泌体分离装置，外泌体分离装置至少包括：

3、微流控芯片，所述微流控芯片包括外泌体分选区域，所述外泌体分选区域包括微柱通道，所述微柱通道的一端连通有进样口，所述微柱通道的另一端连通有第一废液出口、第二废液出口以及外泌体出口，所述微柱通道中设置有微柱阵列，所述微柱阵列中包含多个截面形貌为水滴形的微柱且所述水滴形的微柱的尖端所指方向一致；

4、电压源，所述电压源与所述微流控芯片电连接，从而在所述微柱通道处形成高梯度不均匀电场；

5、pdms封装层，所述pdms封装层与所述微流控芯片紧密键合。

6、可选地，所述电压源为交变电压源。

7、可选地，所述交变电压源的频率为10khz～500khz。

8、可选地，所述微柱阵列的阈值为150nm且所述微柱阵列的行位移分数为0.1～0.2。

9、可选地，所述水滴形微柱的高度为2μm～5μm且相邻的两行所述水滴形微柱间的横向位移的大小满足ε＝δ/λ，其中，ε为所述水滴形微柱阵列的行位移分数，λ为相邻两个水滴形微柱间的柱心间距，δ为两行所述水滴形微柱间的横向位移。

10、可选地，所述水滴形微柱的间隙宽度大小满足dc＝1.4gε0.48，其中，dc为所述水滴形微柱阵列的阈值，g为同一列中水滴形微柱的间隙宽度。

11、本发明还提供一种基于权利要求1-6中任意一项权利要求所述基于微流控技术的外泌体分离装置的外泌体分离方法，所述外泌体分离方法包括以下步骤：

12、于硅片上进行刻蚀，形成含有外泌体分选区域的微流控芯片，将所述微流控芯片与pdms封装层进行键合，并于所述pdms封装层形成电源接入孔以显露所述微流控芯片；

13、将电极的一端插入所述电源接入孔与所述微流控芯片电连接，另一端用导线连接电压源；

14、对含有外泌体的缓冲液进行荧光标记并使用注射泵以一定速度将所述含有外泌体的缓冲液注入进样口；

15、于所述外泌体分选区域的上方设置荧光显微镜用以观察外泌体的分离效果。

16、可选地，所述外泌体分选区域包括微柱通道，所述微柱通道中设置有微柱阵列，所述微柱阵列中包含多个截面形貌为水滴形的微柱。

17、可选地，所述水滴形的微柱的尖端所指方向一致且与所述含有外泌体的缓冲液在所述微流控芯片中流动的方向垂直。

18、可选地，控制所述外泌体分选区域内的单个微柱的间隙大小以及所述电压源的频率，实现确定性侧向位移与介电泳作用的叠加，促使外泌体与其它颗粒的分离。

19、如上所述，本发明的基于微流控技术的外泌体分离装置及其方法，具有以下有益效果：通过在微流控芯片中构建非对称柱状结构的水滴形微柱阵列并调整微柱阵列的相关参数，以实现利用确定性侧向位移技术促使粒径尺寸较大的颗粒与外泌体的分离，此外，在外泌体分选区域电连接交变电压源，从而向微柱阵列施加定量的电刺激以促使微柱阵列产生高度非均匀电场，实现对与外泌体组成结构差异较大的颗粒的进一步分离，从而提高了外泌体的分离纯度，本外泌体分离装置将确定性侧向位移技术与介电泳技术对不同类型颗粒分选机制的作用进行叠加协同，既有效弥补各项技术单独作用所存在的缺陷，又能显著提高外泌体的分离效率。

技术特征：

1.一种基于微流控技术的外泌体分离装置，其特征在于，所述外泌体分离装置至少包括：

2.根据权利要求1所述的外泌体分离装置，其特征在于：所述电压源为交变电压源。

3.根据权利要求2所述的外泌体分离装置，其特征在于：所述交变电压源的频率为10khz～500khz。

4.根据权利要求1所述的外泌体分离装置，其特征在于：所述微柱阵列的阈值为150nm且所述微柱阵列的行位移分数为0.1～0.2。

5.根据权利要求1所述的外泌体分离装置，其特征在于：所述水滴形微柱的高度为2μm～5μm且相邻的两行所述水滴形微柱间的横向位移的大小满足ε＝δ/λ，其中，ε为所述水滴形微柱阵列的行位移分数，λ为相邻两个水滴形微柱间的柱心间距，δ为两行所述水滴形微柱间的横向位移。

6.根据权利要求5所述的外泌体分离装置，其特征在于：所述水滴形微柱的间隙宽度大小满足dc＝1.4gε0.48，其中，dc为所述水滴形微柱阵列的阈值，g为同一列中水滴形微柱的间隙宽度。

7.一种基于上述权利要求1-6中任意一项权利要求所述基于微流控技术的外泌体分离装置的外泌体分离方法，其特征在于：。

8.根据权利要求7所述的外泌体分离方法，其特征在于：所述外泌体分选区域包括微柱通道，所述微柱通道中设置有微柱阵列，所述微柱阵列中包含多个截面形貌为水滴形的微柱。

9.根据权利要求8所述的外泌体分离方法，其特征在于：所述水滴形的微柱的尖端所指方向一致且与所述含有外泌体的缓冲液在所述微流控芯片中流动的方向垂直。

10.根据权利要求8所述的外泌体分离方法，其特征在于：控制所述外泌体分选区域内的单个微柱的间隙大小以及所述电压源的频率，实现确定性侧向位移与介电泳作用的叠加，促使外泌体与其它颗粒的分离。

技术总结
本发明提供一种基于微流控技术的外泌体分离装置及其方法，通过在微流控芯片中构建非对称柱状结构的水滴形微柱阵列并调整微柱阵列的相关参数，以实现利用确定性侧向位移技术促使粒径尺寸较大的颗粒与外泌体的分离，此外，在外泌体分选区域电连接交变电压源，从而向微柱阵列施加定量的电刺激以促使微柱阵列产生高度非均匀电场，实现对与外泌体组成结构差异较大的颗粒的进一步分离，从而提高了外泌体的分离纯度，本外泌体分离装置将确定性侧向位移技术与介电泳技术对不同类型颗粒分选机制的作用进行叠加协同，既有效弥补各项技术单独作用所存在的缺陷，又能显著提高外泌体的分离效率。

技术研发人员：罗源,王大印,冯世伦,赵建龙
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13