TW200815276A - Biological micro particle catcher with 3D micro structure and its manufacturing method - Google Patents

Description

200815276 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種具三維微結構之生物微粒抓取器及 其製造方法，特別是指一種利用介電泳電極所產生之介電 泳力（DEP Force)來捕捉生物微粒於預期之穴井内的抓取 裔及其製造方法，該抓取器係包含有上層體、下層體及微 流管道，於上、下層體各設有電極，使上、下層體電極之 電場方向與微流管體之流場方向相垂直而形成縱向不均勻 _ 電極，可迅速有效捕捉浮流於微流管道中的生物微粒至下 層體所设之穴井内，可增進抓取效能與解析度，可避免重 疊與聚集的缺點真正達到單細胞或單顆粒的抓取能力。本 $明特點是將三維結構之概念應用於介電泳生物晶片，此 介電冰晶片主要目的在抓取與固定生物微粒例如細胞、功 能性乳膠粒子、奈米顆粒、基因等。並且由於微結構的效 應可使細胞於吸附後，與穴井凹槽表面之真空吸附力及微 、、Ό構的側支撐力固定細胞，而無須繼續提供介電泳力所需 •之交流電源’可大幅增加細胞於晶片中的存活率。 【先前技術】 由於細胞的尺度介於微米等級，近年來微機電系統製 程技術（MEMS)的發展，促使操控單一細胞與量測之目 的得以實現，其中以介電泳力應用在細胞型生物晶片最為 廣泛’目前已知介電泳力應用在細胞型生物晶片之模組包 含下列幾種功能：細胞固定、細胞傳輸、細胞分離、細胞 對位、細胞量測、細胞分類等。介電泳驅動的機制為當細 200815276 胞處於一非均勻交流電場（AC non-uniform electric Held )， 由於細胞的介·電性質會在其表面誘發電荷而產生與外加電 %方向相同或相反的電偶極矩（electric dipole)，進而因電 場的非均勻性而受正介電泳力移動到強電場密度區或受負 介電泳力作用而集中至弱電場區，故可藉由電極的設計讓 細胞因電場梯度而驅動並使其固定在所設計的區域。習知 方式有者係利用柱狀、交趾狀（inter(jigital)、與點狀等不 同型式的電極設計成功將細胞定位，但是其缺點為細胞所 _ 受到的介電泳作用力限於表面移動，且所捕捉到的細胞個 數亦無法有效控制在單一細胞，這是由於細胞與細胞之間 所受誘發之電何，會因庫倫力而吸引最後造成細胞相互吸 附形成串珠狀（pead chain)，此現象被稱為相互介電泳力 (mutual dielectrophoresis )。 ' 目前介電泳之電極設計多以平面2D電極為主，如美國 專利 NO.6,989,086 ; 6,764,583 ; 6,835,552及 6,875,329 等， 雖然其製程簡單，但其缺點在於所產生的電場梯度較小， φ 捕捉細胞的效率較低。 另方面，細胞晶片重點在於能捕捉或是操控單一細胞 之目標，但2D的介電泳電極所造成的電場分佈無法達到僅 捕捉單一細胞之精度，前揭美國專利案即是存有此項缺 失。本發明人即是有感於習知介電泳晶片在電極設計上仍 存有缺失，無法增進捕捉或是操控單一細胞之效能，乃潛 心研究’期能克服習知之缺失，M經多次努力I終乃發展 出本發明。 6 200815276 【發明内容】 緣是： 本發明之主要目的，其係提供一種具三維微結構之生 物微粒抓取器，該抓取器係包含有上層體、下層體及位於 上、下層體間之微流管體，上、下層體均設有電極，使上'、 下層體之電極的電場方向與微流管體内之流場方向相垂直 而足以產生垂直的電場梯度，可增加捕捉微粒細胞的效率。 本發明之另-主要目的，其係提供一種具三維微結構 •之生物微粒抓取器，其係利用介電冰效應在三維穴井結構 中，因上、下層電極的佈局與介電泳之非均勻電場的效應， 使細胞附著於穴井凹槽内，吸附後細胞與凹槽表面之直空 吸附力及微結構的側支撐力足以固定細胞，此時可調降電 場強度並利用，流道沖刷介電泳電極區域，讓其他細胞得 以清除，僅存單一細胞於預設的三維穴井中。 本發明之再-主要目的，其係提供一種具三維微結構 之生物微粒抓取器’當細胞因介電泳效應被捕捉至穴井凹 •槽後，即使在沒有任何電場的作用下，單一細胞仍可固定 於預設穴井位置内，並且在一定的流速以下，細胞仍舊固 定於穴井内，不被流速所沖走，除非流速大岭該細胞所捕 捉的介電泳力。 本發明之又一主要目的，其係提供一種具三維微結構 之生物微粒抓取器，因此，本發明將以一符合細胞尺寸之 二維微結構輔助介電泳力捕捉細胞，以達到單細胞之精 度’並S又a十陣列式細胞陷阱同時擁有單細胞之精度外還可 以取得群體的結果與單一細胞各種生化反應的電性量測。 200815276 本發明之復一主要目的，其係提供一種具三維微結構 之生物微粒抓取器的製造方法，該方法可利用準分子雷射 加工、以熱壓製程法及以SU-8厚膜光阻來製造三維穴井詰 構單細胞型之介電泳捕捉晶片及其所屬之下層體，並結合 上層體、微流管道體，可簡易地完成製造出抓取器者。 為使貴審查員進一步瞭解本發明，茲佐以圖示詳加 說明如后。 【實施方式】 請參考第一至三圖，本發明生物微粒抓取器係包含 有··上層體⑴、微流管體(2)及下層體(3)，於上層體⑴設 有上電極(11)及入口（12)、出口（13)，下層體(3)亦設有下電 極(31)，前述入口（12)即是提供流體進入抓取器而在微流管 道(21)内流通，並由出口（13)流出抓取器。前述下層體（3) 另設有矩陣式穴井(4)。本發明最主要特徵即是上、下層體 (1)、（3)之電極的電場方向與微流管道(21)内之流體的流場 方向相垂直而形成縱向不均勻電極，可迅速有效捕捉浮流 於微流管道(2)中的生物微粒（5)至下層體（3)所設之穴井(4) 内。 本發明抓取器在下層體（3)所完成之穴井（4)的立體結 構大小，其係可依據所欲捕捉之微粒子的大小而設定，矩 陣式穴井中之每相鄰穴井（4)間之間距亦可依需要性而選 擇其間距長度。進一步而言，穴井(4)可如半球型（如第三 圖），亦气如第四圖所示之矩型體穴井(41)。 200815276 本啦明鈿述之下層體除了可設計求介電泳下電極(31) 外，在三維穴井結構之·層體⑶上另可增减測電極⑹， 如第五圖所示，其目的在於抓取單一微粒細胞後，經由電 壓的切換，可對單—細胞進行各種生化反應之電性量測以 提供從事藥物篩選的功能。 本發明抓取器之下層體(3)係由玻璃（7i)、suj厚膜光 阻(72)、金(73)所組成，其中金(73)即是為下層體(3)内所設 之下電極(31)，該下層體(3)以準分子雷射加工後形成矩陣 • 型之穴井(4);微流管體(2)係由PDMS(70)所製成；上層體(1) 則是由導電玻璃ITO Glass(74)所構成；其整體即可如第六 圖所不者。本發明為達成前述具三維微結構之生物微粒抓 取器，可利用準分子雷射加工製作三維穴井結構單細胞型 之介電泳捕捉晶片。以準分子雷射加工，可加工出三維穴 井微結構，以便更能確實捕捉微粒以及細胞。準分子雷射 不僅加工出穴井結構，並且可將蒸鍍在su_8上的電極去 除，因此可得到週期性的電極及介電泳力所造成的非均勻 # 電場現象，可將微粒與細胞捉取至穴井結構内，如第六圖 所示。 請參考第三圖所示之抓取器，前述下層體(3)係由玻璃 (75)、PDMS(76)及金(77)所組成，其中金(77)即是為下層體 (3)内所設之下電極(31)，該下層體(3)係以熱壓製程法製作 出二維穴井結構之介電泳捕捉晶片，即可形成穴井(4);微 流管體(2)係由PDMS(78)所製成；上層體(1)則是由導電玻 璃ITO Glass(79)所構成；其整體即可如第三圖所示者。 200815276 請參考第四圖所示之抓取器，下層體（3)係 (8〇)、金⑽及SU-8(82)所組成，其中金 = ⑶内所設—之下電極⑼，該下層體(3)係以利用黃 程製作出二維穴井結構之介電泳捕捉晶片，即可形成= 體穴井(41);微流管體⑺係由PDMS(83)所製成；_^層體⑴ 則是由導電破璃iTQ Glass(84)所構成；其整體即可二 圖所示者。 請參考第五圖所示之抓取器，前述下層體(3)係由玻璃 φ (85)、金(86)、SU-8(87)及金(88)所組成，其中金(88)即是為 下層體(3)内所設之下電極(31)，而金（86)即是為感測電極 (6)，該下層體(3)係利用準分子雷射加工出三維穴井之介電 泳捕捉晶片，即可形成穴井(4);微流管體(2)係由pDMS(89) 所製成；上層體⑴則是由導電玻璃IT0 Glass(9〇w構成； 其整體即可如第五圖所示者。 本發明抓取器在下層體設有矩陣型三維穴井，該等穴 井係可利用雷射加工、熱壓製程及微影製程等方法予以完 φ 成’進而可和上層體、微流管體相結合成一具有三維穴井 之抓取器。請參考第七圖，先以玻璃、SU-8、金等材料相 結合成一平面狀下層體，復以準分子雷射加工成具有三維 六井之下層體；該下層體進而與微流管體、上層體相結合 成具三維穴井之抓取器。 請參考第八圖，以PU材料經準分子雷射加工成具三維 穴井之基材，其後經微電鍍槽電鍍一層金屬膜以形成具有 三維穴井之金屬凸模，該凸模與下層體經熱壓製程即可完 成一具有三維穴井之下層體，進而與ITO導電玻璃之上層體 200815276 及微流管體共同結合成本發明具三維穴井之抓取器。 本發明亦可利用黃光微影製程來完成，請參考第九 圖，以玻璃、金、SU-8相結合成一平面狀下層體，其經黃 光微影製程即可形成具有三維六井之下層體，進而與上層 體、微流管體相結合成本發明具三維穴井之抓取器。 統觀前論，本發明利用上、下層體各設有電極，使上、 卞層體電極之電場方向與微流管體之管道内的流場方向相 垂直，可形成縱向不均勻電極，可迅速有效捕捉浮流於微 φ 流管道中的生物微粒至下層體所設之穴井内，可增進抓取 效能與解析度，可避免重疊與聚集的缺點真正達到單細胞 或單顆粒的抓取能力。 本發明之設計異於習知利用電場方向平行於流體方向 所設計之抓取器，本發明顯然具其新穎性，況乃本發明更 具有抓取微粒細胞之功效，另具進步性，顯然允合發明專 利之要件，乃提出專利申請。

11 200815276 【圖式簡單說明】 第-圖：係本發明抓取器部份透視之立體圖。 第二圖：係本發明抓取器之外觀立體圖。 第三、四、五、六圖：係本發明抓取器之構造剖視圖。 第七、八、九圖：係本發明抓取器製造方法之流程圖。 【主要元件符號說明】 (1) 上層體 (11) 上電極 (12) 入口 (13) 出口 (2) 微流管體 (21)微流管道 (3) 下層體 (31)下電極 (4) 穴井 (41)矩型體穴井 (5) 生物微粒 (6) 感測電極

(70) PDMS (71) 玻璃 C72)SU-8厚膜光阻 (73) 金 (74) 導電玻璃ITO Glass (75) 玻璃

(76) PDMS (77) 金

(78) PDMS (79) 導電破璃ITO Glass (80) 玻璃 (81) 金 (82) SU_8

(83) PDMS (84) 導電玻璃ITO Glass (85) 玻璃 (86) 金 (87) SU-8 (88) 金

(89) PDMS (90) 導電玻璃ITO Glass 12

Claims (1)

1. 200815276 十、申請專利範圍：

   1·一種具三維微結構之生物微粒抓取器，其係包含有：上層 體、微流管體及下層體，於上層體設有上電極及入口、出 口，下層體亦設有下電極，前述入口即是提供流體進入抓 取器而在微流管道内流通，並由出口流出抓取器，前述下 層體另設有矩陣式三維結構之穴井，前述上、下層體之電 極的電場方向且是與微流管道内之流體的流場方向相垂 直，如此可形成縱向不均勻電極，可迅速有效捕捉浮流於 微流管道中的生物微粒至下層體所設之穴井内為其特徵。 2.=申請專利範圍第1項所述具三維微結構之生物微粒抓取 器'，其中，該穴井可為半球型、碗型、矩型等三 士 構造型，該等穴井係可利用雷射加工、熱壓印技術、微影 製程專方法完成。 3.如申請專郷項所述具三維微結構之生物微粒抓取 器’其中，下層體上另可增設-感測電極，於抓取單一微 粒細胞後，經由電壓的切換，可對單—細胞進行各種生化 反應之電性量測以提供從事藥物篩選。 =申請專魏圍第㈤所述具三維微結構之生物微粒抓取 裔’其中’該抓取器之下層體係由坡璃、光阻材料、金屬 材料所組成，其中金屬材料即是為下層體(3)内所設之下電 ，(31) ’該下層體(3)可形成矩陣型之穴井(4);微流管體二 係由南分子材料所製成；，上層體(1)則是由導電玻璃IT0 GlaSS(74)所構成。 电㈣ITO I:请範圍第1或4項所述具三維微結構之生物微粒抓 取為、中，該光阻材料可為SU_8、金屬材料可為金(Μ)、 13 200815276 高分子材料可為PDMS。 6·如申凊專利範圍第1項所述具三維微結構之生物微粒抓取 器，其中，該抓取器之下層體(3)係由玻璃、高分子材料及 金屬材料所組成，其中金屬材料即是為下層體内所設之 下電極(31)，微流管體(2)係由高分子材料所製成；上層體Q) 則是由導電玻璃ITO Glass(79)所構成。 7·如申請專利範圍第1或6項所述具三維微結構之生物微粒抓 取器，其中，下層體及微流管體所應用之高分子材料 | 可為PDMS、金屬材料可為金(au)。 8 ·如申請專利範圍第1項所述具三維微結構之生物微粒抓取 器，其中，該抓取器之下層體(3)係由玻璃(80)、金屬材料 及光阻材料所組成，其中金屬材料即是為下層體(3)内所設 之下電極(31)，微流管體(2)係由高分子材料所製成；上層 體⑴則是由導電玻璃ITO Glass(84)所構成。 9·如申請專利範圍第1或8項所述具三維微結構之生物微粒抓 取裔’其中，該金屬材料可為金(Au)、光阻材料可為su_8、 ® 高分子材料可為PDMS。 1〇·如申請專利範圍第}項所述具三維微結構之生物微粒抓取 益’其中’該抓取器之下層體(3)係由玻璃(85)、金(86)、 SU-8(87)及金(88)所組成，其中金(88)即是為下層體内 所设之下電極(31)，而金(86)即是為感測電極(6)，微流管 體(2)係由PDMS(89)所製成；上層體⑴則是由導電玻璃 ITO Glass(90)所構成。 U·如申請專利範圍第1或10項所述具三維微結構之生物微粒 抓取器，其中，該二相分離之金屬材料均可為金(Au)、光 200815276 阻材料可為SU-8、高分子材料可為印·。 2二種具三賴結構之生物微粒抓_之製造方法，盆係以 =、鮮金等材料相結合成一平面狀下層體，辑分 〜射加工成具有三維穴井之下層體；該下層體復與微流 1 ~上層體相結合成具有三維穴井之抓取器。 3·種具三維微結構之生物微粒抓取器之製造方法，苴 ^舰準好㈣加1具三敎井之歸，其後經微 鏟槽電鍍一層金屬膜以形成具有三維穴井之金屬凸 、忒凸模與下層體經熱壓製程即可完成一具有三維穴井 =下層體，該下層體進而與ITO導電玻璃之上層體及微流 官體共同結合成具三維穴井之抓取器。 •了種具三維微結構之生物微粒抓取器之製造方法，其係先 璃、金、su_8相結合成一平面狀下層體，復經黃光微 ”衣轾即可形成具有三維穴井之下層體，該下層體進而與 上層體、微流管體相結合成具三維穴井之抓取器。 15