随着微流控芯片技术的发展,利用生物力学性质(大小和变形性)进行细胞分离和单细胞阵列化的研究吸引了越来越多的关注。其中基于微流控芯片的微结构技术用于细胞分离和单细胞阵列化是目前研究的热点,微结构技术可以利用细胞的大小和变形性进行细胞分离和单细胞阵列化,这种技术具有操作简单、非侵入性和能够较好的保护细胞的活性等优点。在细胞分离方面,较之于其它分离技术,微结构分离技术具有高分离和回收效率的特点。但微结构分离方法的最主要缺点是分离过程中微结构堵塞的问题,因为堵塞会造成微结构内部的水流动力紊乱使后续的分离效果受到重大的影响。此外,在一些利用微结构进行分离的技术中,分离后的细胞很难从微结构中回收出来,这严重限制了下游的分析实验如基因和蛋白分析实验的进行。在单细胞阵列化研究中,利用微结构往往可以实现高通量的单细胞阵列化,特别是在癌细胞异质性研究中,如果能够建立不同大小和变形性单细胞阵列,将有利于研究癌细胞生物力学异质性与其生物学特性(如:转移性和耐药性)之间的关系。本研究以微流控芯片技术为支撑,结合微结构阵列和气动阀门操作的独特优势,构建了细胞分离及单细胞阵列化的多功能集成微流控芯片,分别进行不同大小和变形性细胞的分离;以及不同大小和变形性单细胞阵列化及相关耐药性的研究。这种基于微结构阵列和气动阀可逆性控制的多功能集成微流控芯片平台为改进和丰富现有的细胞分离及单细胞阵列化技术提供了新的思路和方法。本论文所取得结果如下:1.本研究采用了多层软刻蚀技术,设计并制作了一种可用于不同大小和变形性细胞分离的多功能集成微流控芯片。该芯片集成了收缩型的微结构阵列和气动阀门。该芯片可以通过不同尺寸的微结构阵列分离出不同的细胞群体,并且还可以很容易地实时释放以便于随后的分析研究。通过定期的分离和释放操作可以极大地避免微结构阵列中细胞的聚集和堵塞提高了分离效率。通过对于微结构阵列中流体的模拟证明该结构提供了用于细胞捕获或通过良好可控的流体动力,同时可以避免由于和微结构之间长时间接触而造成堵塞或潜在的细胞损伤。通过两种不同颜色染料模拟整个分离操作过程表明该集成微流体装置可以以一个快速、有序和高效的方式实现了细胞输注、排序和可控释放。2.通过优化分离条件该芯片可以成功的将三种不同变形性的乳腺癌细胞(MCF-7MDA-MB-231和MDA231-LM2)从两种癌细胞混合物(MCF-7和MDA-MB-231,MCF-7和MDA231-LM2)中分离,三种癌细胞的分离率均超过75%。该平台可以用于分离不同变形性的癌细胞以用于后续的癌症迁移和癌症起始细胞的研究。3.通过分离掺入血液样品中的癌细胞(癌细胞:血细胞为1/106),表明该芯片可以从血液样品中高效的分离模拟稀有细胞的癌细胞。癌细胞的回收率超过90%,纯度超过80%。和目前的一些微结构分离方式比,该设备提供了一种潜在的高效分离稀有细胞的方法。4.构建了一种新的集成微流控芯片用于不同大小和变形性的单细胞捕获和耐药性的研究,该芯片集成了复杂的微结构阵列和气动阀门。使用该设备可以将单细胞按照它们不同的大小和变形性进行排序,同时这种设计还允许对于数百个单细胞进行不同时间点的动态行为的跟踪和监控。该芯片提供了一种能够将不同大小和变形性单细胞阵列化的新方法。5.研究了两种不同的人神经胶质瘤细胞分别进行了不同大小和变形性的单细胞阵列化及相关的耐药性研究。结果表明神经胶质瘤细胞的生物力学性质异质性和其耐药性明显相关,即小而/或变形性大的肿瘤细胞的耐药性比大而/或变形性差的肿瘤细胞要强。该平台提供了一种在单细胞水平上研究肿瘤的潜在方式。