TWI308131B - - Google Patents

Description

1308131 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 器及其製造方法’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 ，體所設之穴井内，可增進抓取效能與解析度，可避免重 豐與聚集的缺點真正達到單細胞或單顆粒的抓取能力。本 發明特點是將三維結構之概念應用於介電泳生物晶 介雷ϋ θ μ i ^ 月b性礼膠粒子、奈米顆粒 應可 # 知除 HtA 、奈米顆粒、基因等。並且由於微結構的效

At 日月主要目的在抓取與固定生物微粒例如細胞、功 【先前技術】

介電泳驅冑的機制為當細 1308131 胞處於一非均勻交流電場（AC non-uniform electric field )， 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 場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（interdigital )、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 所受誘發之電荷，會因庫倫力而吸引最後造成細胞相互吸 附形成串珠狀（pearl 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， 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’歷經多次努力而終乃發展 出本發明。 1308131 【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。 本發明之另一主要目的，其係提供一種具三維微結構 鲁之生物微粒抓取器，其係利用介電泳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真空 吸附力及微結構的側支撐力足以固定細胞，此時可調降電 場強度並利用微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，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，除非流速大於該細胞所捕 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 三維微結構輔助介電泳力捕捉細胞，以達到單細胞之精 度，並設計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。 1308131 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結 構單細胞型之”電冰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。口 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（1)、微流管體(2)及下層體（3)，於上層體（1)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 _ 方向相垂直而开> 成縱向不均勻電極，可迅速有效捕捉浮流 於微流管道(2)中的生物微粒至下層體(3)所設之穴井 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），亦可如第四圖所示之矩型體穴井（41)。 1308131 本發明前狀下層體除了可設計成介電泳下電極⑼ 外在三維穴井結構之下層體(3)上另可增加感測電極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，可對單一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（71)、su_8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 圖所示者。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，以便更能破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 φ 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(ή)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 出三維穴: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。 1308131 請參考第四圖所示之抓取器，下層體（3)係由玻璃 (80)、金(81)及SU-8(82)所組成，其中金(81)即是為下層體 (3)内所設之下電極(31) ’該下層體(3)係以利用黃光微影製 程製作出三維穴井結構之介電泳捕捉晶片，即可形成矩型 體穴井(41);微流管體(2)係由PDMS(83)所製成；上層體（1) 則是由導電玻璃ITO Glass(84)所構成；其整體即可如第四 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 所製成；上層體（1)則是由導電玻璃ITO Glass(90)所構成. 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#& 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 穴井之下層體；該下層體進而與微流管體、上層體相梦人 成具三維穴井之抓取器。 σ 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臈以形成具有 三維穴井之金屬凸模，該凸模與下層體經熱壓製程即可完 成一具有三維六井之下層體，進而與ΙΤΟ導電玻璃之上層$ 1308131 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穴井之下層體，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 | 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 1308131 【圖式簡單說明】 弟圖.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 (Π)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 (72) SU-8厚膜光阻 (73) 金 (74) 導電玻璃ITO Glass (75) 玻璃 (76) PDMS ㈤金

(78) PDMS (79) 導電玻璃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

Claims (1)

1308131 十、申請專利範圍： 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.如申睛專利範圍第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、矩型等維 構造型，該等穴井係可利用雷射加工“ 製程等方法完成。 3=申請專利範圍幻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，可對單一細胞進行各種生化 反應之電性量測以提供從事藥物篩選。 4. 如申請專職圍第1韻述具三維微結構之生物微粒抓取 器，其中’該抓取器之下層體係由玻璃、光阻材料、金 材料所組成’其中金屬材料即是為下層體⑺内所設之下 該下層體(3)可形成矩陣型之穴井(4);微流管體⑺ 係由兩分子材料所製成;.上層體_是由導電玻』 Glass(74)所構成。 电圾褐ΠΌ 5. = 申請範圍第1或4項所述具三維微結構之生物微粒抓 取益’，、中，该光阻材料可為SU_8、金屬材料可為金㈣、 1308131 鬲分子材料可為PDMS。 二申利範圍”項所述具三維微結構之生物微粒抓取 金屬該抓取器之下層體(3)係由破璃、高分子材料及 =料所組成，其中金屬材料即是為下層體⑶内所設之 微流管體⑺係由高分子材料所製成;上層體⑴ 則疋由導電玻璃IT〇Glass(79)所構成。 犯圍第1或6項所述具三維微結構之生物微粒抓 可層體(3)及微流管體(2)所應用之高分子材料 了為PDMS、金屬材料可為金(Au)。 =申利範圍第巧所述具三維微結構之生物微粒抓取 I光阻lu該抓取器之下層體⑶係由玻璃⑽）、金屬材料 才料所組成、其中金屬材料即是為下層體⑶内所設 體(1二(111’微流官體(2)係由高分子材料所製成；上層 體⑴則疋由導電玻璃ITOGlass(84)所構成。 9.^申請㈣第1或8賴㈣⑽賤構之生物微粒抓 J、中’該金屬材料可為金(Au)、光阻材料可為su_8、 咼分子材料可為PDMS。 心申^職㈣㈣所述具三維微結構之生物微粒抓取 益’其中，祕取器之下層體(3)係由破璃(85)、金㈣、 =87)及金(88)所組成，其中金⑽)即是為下層體⑶内 叹之下電極(31) ’而金㈣即是域測電，微流管 Γη，)所製成；上層體⑴則是由導電‘ ITO Glass(90)所構成。 專:Ϊ圍第1或10項所述具三維微結構之議 K 、、中’该二相分離之金屬材料均可為金…）、光 14 1308131 阻材料可為SU-8、高分子材料可為PDMS。 12. —種具三維微結構之生物微粒抓取器之製造方法，其係以 玻璃、SU-8、金等材料相結合成一平面狀下層體，以準分 子雷射加工成具有三維穴井之下層體；該下層體復與微流 管體、上層體相結合成具有三維穴井之抓取器。 13. —種具三維微結構之生物微粒抓取器之製造方法，其係以 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，該下層體進而與ITO導電玻璃之上層體及微流 管體共同結合成具三維穴井之抓取器。 14. 一種具三維微結構之生物微粒抓取器之製造方法，其係先 以玻璃、金、SU-8相結合成一平面狀下層體，復經黃光微 影製程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。