使用电磁螺线管的细胞分选系统技术方案

公开了基于MEMS的细胞分选系统，它采用了新颖的特征组合来实现在容纳于一次性盒中的微制造的通道中的细胞分选。该基于MEMS的细胞分选系统可以包括微制造的响应于所施加的磁场的细胞分选阀。该基于MEMS的细胞分选系统还可以包括产生磁场来致动微制造的细胞分选阀的电磁铁。该电磁铁可具有允许它产生非常局部化的磁场同时有足够的热性质来可靠地操作的设计。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及使用微制造的、可动的细胞分选机构的细胞分选系统。
技术介绍
微机电系统（MEMS）是在衬底上制成的非常小的，通常可动的结构，其使用表面或本体光刻加工技术，比如那些用于制造半导体器件的技术。MEMS装置例如可以是可动的致动器，传感器，阀，活塞，或开关，具有几微米至数百微米的特征尺寸。例如，可动的MEMS开关可以用来将一个或更多输入端子连接到一个或更多输出端子，所有这些都被微制造在衬底上。用于可动开关的致动装置例如可以是热的，压电的，静电的，或磁性的。MEMS装置也可以被制备为操纵在流体流中通过该MEMS装置的颗粒。例如，MEMS装置可能是用作分选机构的可动阀，分选机构用于从流体流中分选各种颗粒，例如来自血液的细胞。颗粒可以在封闭于微通道内在压力下流动的流体流中被运送至分选装置。在到达MEMS分选装置后，该分选装置将所关注的颗粒如造血干细胞引导至单独的容器，并将流体流的剩余部分引导到废物容器。以前，现有的颗粒分选器使用荧光激活细胞分选（FACS）并被称为流式细胞仪。流式细胞仪通常是大且昂贵的系统，其基于来自固定到感兴趣的细胞上的标签的荧光信号来分选细胞。将细胞稀释并悬浮在鞘液中，然后借助于穿过喷嘴快速减压而分离成单独的液滴。在从喷嘴喷出后，根据来自标签的荧光信号，液滴通过静电被分到不同的储仓中。这些系统的问题包括，由于减压造成细胞损伤或功能丧失，不同试样之间的困难而昂贵的消毒程序，无法遵循不同参数重新分选亚群，以及拥有、运营和维护这些大型、昂贵的装备部件所必需的大量培训。至少由于这些原因，流式细胞仪的使用已被限于大型医院和实验室，而该技术对于较小的实体尚不可得。基于MEMS的细胞分选系统可具有在成本、速度和容量方面超过流式细胞仪的实质性优点。已经授权了涉及这类基于MEMS的颗粒分选装置的许多专利。例如，美国专利No.6838056（'056专利）涉及一种基于MEMS的细胞分选装置，美国专利号No.7264972B1（'972专利）涉及一种用于基于MEMS的细胞分选装置的微机械致动器。美国专利No.7220594（'594专利）涉及用MEMS细胞分选装置制备的光学结构，并且美国专利No.7229838（'838专利）涉及一种致动机构，用于操作基于MEMS的颗粒分选系统。此外，美国专利申请No.13/374899（'899申请）和13/374898（'898申请）提供了其它MEMS设计的进一步的细节。这些专利（'056，'972，'594和'838）和专利申请（'898和'899）中的每个在此通过引用结合于本文中。在上述细胞分选系统中使用微流体装置时遇到的问题包括，狭窄通道的堵塞，以及这些狭窄通道与宏观世界的对接，以及对这些非常小的可动装置的运动的控制。
技术实现思路
描述了细胞分选系统，它使用微制造的细胞分选MEMS芯片。MEMS芯片中的通道由光刻法形成，并且因此非常小。这些狭窄通道的堵塞对可靠的长期操作构成了很大的挑战。此外，这些狭窄通道必须匹配大得多的宏观特征，并处理小体积的流体，在分选稀有细胞时尤为如此。在这里所描述的系统中，运用了各种新颖的设计元素，以促成该MEMS细胞分选系统。塑料插入器被用于提供微观通道与宏观特征之间的相互连接。专门设计的电磁铁提供精确定位的电磁场，其导致非常小的MEMS芯片在大得多的系统内移动。此电磁铁最小化产生的热量，从而提高了效率。最后，特殊配方的流体材料被用来减少或消除堵塞。因此，描述了一种细胞分选系统，其可包括在硅衬底上微制造的细胞分选阀，具有从细胞分选阀引出的微制造的通道，含有试样储器、分选储器和废物储器的一次性盒，以及插入器，其将硅衬底中的微流体通道连到一次性盒中的储器。因此，细胞分选阀可以是相当小的，并且可以被磁致动。为了提供致动的磁场，细胞分选系统还可以包括电磁铁，该电磁铁带有渐缩形尖端、线圈和磁芯，其中，所述渐缩形形状用于会聚由线圈和磁芯产生的磁通线、并在该尖端附近离开该电磁铁。渐缩形尖端和磁芯可以具有特定的形状和尺寸，并可以嵌入在散热材料中以提高性能。附图说明各种示例性的细节参照以下附图进行描述，其中：图1是处于第一位置的MEMS芯片分选器的示意图；图2是处于第二位置的MEMS芯片分选器的示意图；图3是一示例性的MEMS细胞分选系统的示意图，该系统可利用图1和图2的MEMS分选器；图4是可在图3的包括MEMS芯片分选器和插入器的MEMS细胞分选系统中使用的一示例性的一次性盒的分解图；图5a是可在图3的包括MEMS芯片分选器和插入器的MEMS细胞分选系统中使用的示例性的一次性盒的侧视图；图5b是该示例性的一次性盒的端视图；图6是可在图3的包括MEMS芯片分选器和插入器的MEMS细胞分选系统中使用的示例性的一次性盒的另一侧视图；图7是可与图4的一次性盒一起使用的示例性插入器的平面图；图8是可与图4的一次性盒一起使用的示例性插入器的透视图，示出了面对盒侧；图9是示例性插入器的正面侧的立体图；图10a是可产生磁场的靶标电磁铁的平面图，该磁场可将MEMS芯片分选器从第一位置（图1）致动至第二位置（图2）；图10b是磁体尖端的俯视图；图10c是靶标电磁铁的透视图。图11a是使用散热材料的靶标电磁铁的第二实施例的平面图；图11b是磁体尖端的第二实施例的俯视图；图11c是靶标电磁铁的第二实施例的透视图；和图12是使用铜基印刷电路板用于散热的可产生磁场的靶标电磁铁的另一实施例的俯视图。应当理解，附图不一定按比例绘制，并且相似的数字可以指代相似的特征。具体实施方式描述了用于从流体流中的非靶材料中分选靶颗粒的系统和方法，该系统和方法使用微制造（MEMS）的可动阀或分选机构，其引导靶颗粒从试样输入通道进入分选通道，同时允许非靶材料流入废物通道。两种通道都通往单独的各自的储器，即分选储器和废物储器，并且被储存在那里，直到去除。分选储器、试样储器和废物储器，连同MEMS芯片分选器一起，可以被容纳在塑料的一次性盒中。在流体被从这些储器收集之后，该盒可以随后被丢弃。这允许大大降低在试样之间对系统消毒的负担。该系统和方法还可以具有在成本、性能、速度和复杂性方面的显著优势。该系统还可以在其处理细胞时轻柔得多，使得流出物中的细胞的存活率与基于液滴的流式细胞仪相比大大提高。因为该细胞分选系统的微流体的特性，要采取措施以减少或消除堵塞，以及处理流体的小体积，并控制非常小的可动阀。插入器可被用于提供微观通道与宏观特征之间的相互连接。最后，特别设计的电磁铁提供精确定位的电磁场，其导致非常小的MEMS芯片在大得多的系统内的移动。此电磁铁最小化产生的热量，且从而提高了效率。这些特征中的每个特征在下面进一步描述。图1是微制造的细胞分选机构MEMS芯片分选器10的示意图，其可在此处所描述的颗粒分选系统中使用。细胞分选机构的细节可以在通过引用而结合在本文中的共同待决的美国专利申请序列号No.13/998095（以下称为'095专利申请）中找到。微制造的细胞分选机构10的独特特征包括，细胞分选阀110的运动平行于阀的制造平面。此外，废物通道140基本上正交于试样入口通道120和分选输出通道122。这些特征使在速度和精度、阀通过量和微流体分选的容易性方面能够有明显的优势。在图1的平面图中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微制造在硅衬底上的细胞分选阀，带有从所述细胞分选阀引出的微制造通道，其中，所述细胞分选阀从非靶材料分离靶颗粒；包含试样储器、分选储器和废物储器的一次性盒；和具有磁芯的电磁铁，所述电磁铁在邻近所述细胞分选阀的区域中产生磁通线，导致所述细胞分选阀响应于由所述电磁铁产生的磁通线而移动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.05 US 61/9484931. 一种微制造在硅衬底上的细胞分选阀，带有从所述细胞分选阀引出的微制造通道，其中，所述细胞分选阀从非靶材料分离靶颗粒；包含试样储器、分选储器和废物储器的一次性盒；和具有磁芯的电磁铁，所述电磁铁在邻近所述细胞分选阀的区域中产生磁通线，导致所述细胞分选阀响应于由所述电磁铁产生的磁通线而移动。2.根据权利要求1所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述电磁铁包括缠绕在具有渐缩形形状的磁芯上的螺线管或线圈，其中所述渐缩形具有从基部到尖端变窄的轮廓。3.根据权利要求2所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述渐缩形形状具有横跨最宽的弦的小于约5毫米的基部和小于约1mm的尖端。4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述轮廓形成大约10度的角度，且所述角度相对于垂直线定义。5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述轮廓形成至少约3度、并且最多约45度的角度，且所述角度相对于垂直线定义。6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，具有渐缩形形状的所述磁芯包括钴/铁、铁、和镍/铁合金中的至少一者。7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述线圈的螺线管包括缠绕在所述渐缩形形状上的约20至约30匝线圈。8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述线圈的螺线管包括直径约100微米的磁性导线。9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于从流体试样分选靶颗粒的细胞分选系统，其中，所述线圈的螺线管传导至少约0.5A的电流。10.根据权利要求1至...

【专利技术属性】
技术研发人员：J福斯特，D格鲁米特，RP彼得斯，C佩特，N马蒂内斯，M纳格尔，
申请(专利权)人：美天施生物科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE