惯性微流控细胞富集芯片及其装置对于癌症前期防治有着相当重要的意义,但其加工成本高需要精密配套装置操作专业等缺陷限制了该技术的推广,因此开发出低成本无环境使用限制的装置对于早期癌症发现有较大作用。本文以惯性微流控芯片为基础,研制出了低成本无环境限制易于操作的微流控装置,其主要包括如下三个部分内容:(1)利用水平阵列堆叠的方式设计高通量多层薄膜芯片并利用其完成藻种和癌细胞的富集实验。本章设计了一种具有复杂三维流控路径的多层堆叠薄膜芯片,由7个功能层组成,包括1个平行通道层、3个粘合层、2个汇合通道层和1个出口层,其中核心层为平行通道层,该层由12个放射状排列的蛇形通道组成,该芯片采用阵列排布的方式提高通量同时保持一个入口和两个出口的形式,七个功能层堆叠后芯片仍然具有良好的透明度和非常小的厚度。然后利用该装置完成对粒子、青海大扁藻和乳腺癌细胞等颗粒的浓缩,浓缩后可以发现该装置对于这几种颗粒都能达到较好的回收率和较高的浓缩倍数。连续多次使用可以达到更好的效果,在对浓度极低的肿瘤细胞通过多步连环浓缩后浓缩倍数为~14倍和回收率能达到~80%左右,而样本体积已经成功从15 ml减少到小于1 ml。(2)利用被动调节阀、双入口螺旋芯片以及双孔助推器设计无电力驱动癌细胞分离装置。本章针对低成本微流控器件的即时现场检测需求,设计了一套能够完全依赖于机械结构实现癌细胞分离的微流控分离装置,该装置包含两个部分:复合芯片和双孔助推器。复合芯片包含双入口螺旋结构以及两个被动流量调节阀,为满足芯片流道结构重复使用的目的,探索新加工工艺以及密封方式,经对比最终选择数控机床加工芯片并采用塑封膜实现芯片密封,经粒子实验验证,该形式芯片有较好的分离效果;同时为提供稳定驱动流速,采用被动流量调节阀结构,确定被动调节阀加工工艺并探究PDMS薄膜通孔直径,腔室大小,腔室高度以及是否串联流阻对流量的影响,结果表明该被动阀在压强为100~200 kPa之间有较好的流量稳定效果。进样装置包括双孔助推器、两个注射器(10 ml和60 ml)以及两个15 ml试管,双孔助推器包含两个不同尺寸的助推器,每个助推器都分为三个部分,即助推器腔室,挡板及压簧。结构设计完成后需要研究压簧各参数对于进样压强的影响,以确定匹配复合芯片所需进样压强的压簧参数。最后,测试了该装置对于7μm和20μm粒子分离效果,分离后内出口大粒子回收效率高达95.81%,大粒子纯度高达80.72%,可以表明其对于粒子分离有着较好效果。接着利用该装置对血液中较高浓度掺杂乳腺癌细胞的血样(掺杂10~5个/ml)实现分离操作,分离后收集液中癌细胞收集率为88.75%,纯度为16.48%。同时测试其对于较低浓度掺杂癌细胞的血样(掺杂500个/ml)进行分离实验,经过该装置分离后,回收率达到78.67%,血细胞去除率超过96%。(3)完成小型多功能癌细胞富集仪器设计并验证其对于三种血液样品中癌细胞(MCF-7、PC、Hela细胞)的分离富集性能。首先为仪器方案设计,该仪器主要包含细胞分离功能、富集功能以及清洗功能,采用隔膜气泵作为仪器进样系统的驱动,通过不同尺寸的恒定流阻芯片提供所需液体进样流速,该方式成本低廉且流量较为稳定,采用机加工双入口螺旋芯片分离富集功能单元,为减小仪器体积同时方便使用,采用插拔式试剂盒作为仪器液体盛放装置,各功能都有对应试剂盒;仪器结构部分主要分为三层即电路层、元件层以及试剂盒层,采用锂电池作为电源,通过触屏控制电磁阀控制气路液路通断来实现各个功能。其次为仪器组装和调试,组装后外观尺寸约为190×160×140 mm ~3,整机重量仅为2 kg;对样机进行软硬件调试,确定各个功能模块的时序参数,同时调试仪器进样系统的流阻芯片参数选型以及流量稳定性能。最后针对乳腺癌(MCF-7细胞)、子宫颈癌(Hela细胞)以及前列腺癌(PC细胞),利用该样机对三种掺杂癌细胞的血样(MCF-7、PC、Hela细胞)进行分选与富集,在经过仪器分选后三种癌细胞样品对应红细胞移除率均超过94.5%,三种癌细胞收集口癌细胞的纯度均超过13%,三种癌细胞捕获率均超过87%,可以看出有较好的分离效果。对分离后的收集液继续使用富集功能进行浓缩,三种癌细胞的回收率都超过89%,富集后的收集液的浓度与初始液浓度比值超过2.6倍,富集效果较好。