TWI461689B - 含有乾粉狀試劑的血液凝固測試用生醫晶片 - Google Patents

Description

含有乾粉狀試劑的血液凝固測試用生醫晶片

本發明是有關於一種生醫晶片，特別是指一種可用以混合輸送兩種試劑並可用於血液凝固測試的生醫晶片。

傳統的血液凝固測試必須在實驗室中完成，測試樣本需為血液離心後之血漿，測試樣本取得耗時，且所使用的儀器不是售價過於昂貴就是體積過於龐大，並需由專業人員進行操作，並不符合一般民眾即時使用的需求，且對於亟需在第一時間得知實驗結果的醫護人員而言也相當困擾。雖然坊間有幾款與血液凝固相關之小型機器，但其服務對象通常侷限於有服用抗凝血藥物之患者，不適用於一般民眾。

近年來，生醫檢測晶片的開發技術已相當成熟，應可用於開發血液凝固測試用生醫晶片，這類生醫檢測晶片的其中一個發展重點是在於微流體的驅動與混合，其中又以高黏度流體(例如血液)的驅動較具困難度，目前主要是採用外加微幫浦的方式來驅動檢體，但此種利用微幫浦驅動的方式，會造成設備龐大且成本偏高，而晶片結構設計亦較為複雜，不利於加工製造，因此，若能改藉由表面張力驅動高黏度流體，將可省略微幫浦的製作與花費。

在表面張力驅動之微流體晶片當中，若微流道表面之親水性高，則可產生較大的流體驅動力。目前這類微流體自驅動晶片常以高分子材料(例如SU8或PDMS)製作微流道 ，並透過氧氣電漿或其他表面改質處理的方式，將材料表面將由斥水性表面改變成高親水性與濕潤性表面，達到流體自驅動與輸送目的。但以對氧電漿與熱處理方式改善PDMS的親水性的方式為例，當只做氧電漿處理時，高親水特性在數十分鐘之後就會消失，若將氧電漿改質之後的PDMS做進一步的化學浸泡處理，則可將親水性維持到數天之久，但斥水性回復間題依然存在。

除了PDMS和SU8等高分子材料之外，玻璃也是流體晶片常用的材料，但傳統玻璃晶片的製作與接合存在著製程步驟複雜與熱接合溫度高等缺點。

因此，本發明之目的，即在提供一種具永久親水性毛細力(capillarv force)，並可應用於血液凝固測試之流體自驅動式生醫晶片。

本發明之另一目的，即在於提供一種製造具永久親水性毛細力之血液凝固測試用生醫晶片。

本發明之在一目的，在於提供一種以上述血液凝固測試用生醫晶片用於兩種試劑之自驅動與混合的用途。

於是，本發明血液凝固測試用生醫晶片，包含由下往上依序疊接之一親水性材質的基板層、一中間層，及一親水性材質的上蓋層，且該基本層、中間層與上蓋層相配合界定出一封閉之細長的微流道、分別開設於上蓋層並連通於微流道兩相反端之一第一注入口與一排出口，及一鄰近第一注入口且與該微流道連通之第二注入口，該微流道具 有一徑向外擴並與該第二注入口連通的混合區間，該混合區間之外擴口徑大於該第二注入口口徑，並具有一位於第二注入口下方之連通部，及一介於基板層與上蓋層間且連通繞設於該連通部周圍之毛細部，且該微流道內徑小至會產生驅使第一注入口中之血液及第二注入口中之試劑自動沿其長度方向流動之毛細力，而會驅使血液自動流經該毛細部，並將該連通部中之試劑吸入混合後，朝該排出口方向流動。

於是，本發明血液凝固測試用生醫晶片的製造方法，包含以下步驟：(a)將一中間層貼覆固定於一親水性的基板層頂面；(b)於該中間層頂面成形一上下貫穿之細長狀的微孔道，且該微孔道具有一徑向外擴之外擴段；(c)以雷射加工方式於一親水性的上蓋層頂面穿設相間隔之一第一注入孔、一第二注入孔與一排出孔，且該第二注入孔孔徑小於該外擴段口徑；及(d)將步驟(c)製成之上蓋層疊接固定於中間層頂面而覆蓋該微孔道，並與該基板層及中間層之微孔道相配合界定出一內徑小至會產生驅使血液自動流動之毛細力的微流道，並使該第一注入孔與排出孔分別對應連通於該微流道兩相反端，且使該第二注入孔與該外擴段對應連通。

於是，本發明以上述血液凝固測試用生醫晶片用於驅動混合兩種試劑的用途，包含以下步驟：(a)將液體狀第一種試劑滴入該第一注入口中，利用微流道產生之毛細力自驅動第一種試劑流動；及(b)於第一種試劑沿混合區間之 毛細部繞過該混合區之連通部，而通過該混合區間後，經由該第二注入口於該連通部中加入待混合之液體狀第二種試劑，使第二種試劑被該毛細部之毛細力吸入毛細部中，並與第一種試劑混合後，一起通過該混合區間。

於是，本發明以上述血液凝固測試用生醫晶片用於驅動混合兩種試劑的用途，包含以下步驟：(a)將粉末狀之第二種試劑塗佈於混合區間內壁面；及(b)將液體狀之第一種試劑滴入該第一注入口中，利用微流道產生之毛細力自驅動第一種試劑流動經過該混合區間之毛細部，使流經該毛細部之第一種試劑逐漸帶走混合空間中之粉末狀第二種試劑，使第二種試劑混合於第一種試劑後，一起通過該混合區間。

本發明之功效：透過以親水性材料作為基板層與上蓋層所建構完成之血液凝固測試用生醫晶片，可有效透過微流道本身之親水性毛細力，自體驅動高黏稠度之血液的流動，及兩種液體之自驅動與混合，且會恆久保有親水性。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

如圖1、2所示，本發明血液凝固測試用的生醫晶片3的較佳實施例，適用於進行全血之凝固時間測試，以及兩種試劑之自驅動輸送與混合，其中所適用之試劑可以是乾粉狀試劑或是液體狀試劑。該生醫晶片3包含由下往上依 序疊接之一基板層31、一中間層32與一上蓋層33。

該基板層31與上蓋層33皆是由親水性材料製成，在本實施例中，該基板層31與上蓋層33皆為親水性玻璃。其中，該上蓋層33頂面穿設有相間隔之一第一注入孔331、一第二注入孔332與一排出孔333，且其頂面位於第二注入孔332右側預定距離處標示有一前後延伸之標示線334。

在本實施例中，該中間層32為雙面膠帶，上下貫穿設置有一左右連續往復彎折且前後延伸分布之細長微孔道321，且該微孔道321鄰近其左端處具有一徑向外擴之圓形外擴段322，該外擴段322孔徑大於該第二注入孔332孔徑。

配合圖3、4所示，該生醫晶片3製造時，是透過水輔助雷射設備800進行加工，先在該上蓋層33加工出該第一注入孔331、第二注入孔332與該排出孔333。該中間層32加工前，需先黏固於基板層31頂面，在黏固於基板層31頂面的情況下，透過水輔助雷射加工方式，於該中間層32頂面加工出該微孔道321。

接著，進行層狀結構之疊接固定，由於本實施例所採用之中間層32為雙面膠帶，其本身即具有黏性，所以可直接將該上蓋層33疊接黏固於該中間層32頂面，而覆蓋該微孔道321。此時，該基板層31、上蓋層33與中間層32會相配合界定出一連續彎折延伸之微流道300、分別連通於微流道300兩相反端之一第一注入口304、一排出口305，及一連通於微流道300並鄰近該第一注入口304之第二注入口306，且該微流道300具有一與該第二注入口306連通 且徑向外擴之混合區間301，該混合區間301之口徑大於該第二注入口306口徑，並具有一連通位於第二注入口306正下方之連通部302，及一介於基板層31與上蓋層33相向側面間且連通環繞於連通部302周圍之環狀的毛細部303。

在本實施例中，該第一注入口304口徑為11mm，第二注入口305口徑為2mm，該排出口306口徑為2mm，微流道300之細長部位寬度為0.8mm、深度175μ m，微流道之混合區間301的口徑4mm，且因該基板層31與上蓋層33皆為親水性材質的玻璃，所以該微流道300可產生驅使該第一注入口304中之血液與該第二注入口305中之試劑自動流入之親水性毛細力，也就是，當血液注入該第一注入口304後，該微流道300之毛細力便會自動將血液吸入，並自驅動血液流經該混合區間301之毛細部303，而朝該排出口306方向流動。但實施時，微流道300與該混合區間301不以上述尺寸為限，可依實際需要進行調整。

接著，即針對本實施例進行血液凝固測試的方法進說明，本實施例中，是在剛從人體抽出之全血(4.5mL)中混合加入0.129M檸檬酸納(Sodium citrate)抗凝劑(Anticoagulant)，血液與抗凝劑比例為9：1，使全血失去凝固作用，製成檸檬酸化血液。所進行之三種血液凝固時間測試，分別為加入鈣離子之再鈣化凝固時間測試、加入鈣離子與肝素(Heparin)之再鈣化凝固時間測試，及加入鈣離子與高嶺土(Kaolin)之再鈣化凝固時間測試，分別說明如下：

(一)、加入鈣離子之再鈣化凝固時間測試。

步驟(1)：將150μL檸檬酸化血液滴入該第一注入口304中，使檸檬酸化血液受該微流道300之毛細力作用，而自動沿該微流道300流動。

步驟(2)：當檸檬酸化血液通過該混合區間301，並流至該混合區間301下游20mm處之標示線334位置時，於該第二注入口305中滴入5μL的氯化鈣溶液，開始進行再鈣化凝固時間測試，並開始計時。此時，加入該混合區間301之連通部302的氯化鈣溶液，會隨即被該環狀毛細部303的毛細力逐漸吸入該毛細部303中，與檸檬酸化血液進行混合，並繼續流過該混合區間301。在本實施例中，進行測試之氯化鈣溶液濃度分別為1M與3M，該等氯化鈣溶液所含鈣離子遠大於全血凝固所需之鈣離子濃度。

步驟(3)：當微流道300中之血液凝固不動時，終止計時，此時，自該氯化鈣加入至該血液完全凝固的這段期間，即為血液再鈣化凝固時間。

(二)加入鈣離子與肝素(heparin)之再鈣化凝固時間測試。

測試前，先將150μL檸檬酸化血液與0.1ml的肝素(濃度為5000i.u./mL)混合均勻，然後將混合有肝素之血液滴入該第一注入口304中，並於血液流至該混合區間301下游20mm處之標示線334位置時，於該第二注入口305中滴入5μL的3M氯化鈣溶液，然後開始計時，且於微流道300中之血液凝固不動時終止計時，此時，自該氯化鈣 溶液加入至該血液完全凝固的這段期間，即為血液再鈣化凝固時間。

(三)加入鈣離子與高嶺土(Kaolin)之再鈣化凝固時間測試。在本測試中，是將檸檬酸化血液與高嶺土混合後，再將混合好的血液滴入第一注入口304中，並於血液流至混合區301下游之標示線334位置時，於該第二注入口305中滴入氯化鈣溶液開始進行檢測，並於微流道300中之血液凝固不動時，終止計時，自該氯化鈣溶液加入至該血液完全凝固的這段期間，即為血液再鈣化凝固時間。其中，檸檬酸化血液與高嶺土之混合比例為：1.0mL的檸檬酸化血液加入0.2mg高嶺土，混合濃度約為0.2mg/mL，而加入之氯化鈣溶液濃度為3M，體積為5μL。

由下表一所示之臨床實驗室所採用之參考值，以及圖5所示上述三種凝血測試測得之凝血時間長短，可知於檸檬酸化血液中加入之鈣離子濃度多寡，對凝固時間影響不大。

上述實驗中，添加肝素之凝固時間為53.81±2.06分鐘，比單純加入鈣離子之正常凝固時間5-12分鐘延長數倍，而添加高嶺土的再鈣化血液凝固時間，則比正常的凝固 時間縮短一半，且上述各項血液凝固測試之血液凝固時間皆落在臨床實驗室所採用之參考值範圍內，證實本發明血液凝固測試用生醫晶片確實可應用於血液凝固測試。

由以上三項測試可知，藉由本發明生醫晶片3之親水性材質的基板層31與上蓋層33相配合構成的微流道300結構設計，能夠利親水性用毛細力直接驅動高黏稠度之液體流動，使得血液之驅動完全不需使用到任何幫浦構件，使得晶片之使用更為簡便。

本發明血液凝固測試用生醫晶片3除了可用於上述血液凝固之測試外，也可用以驅動並混合輸送其它液體狀試劑。進行兩種液體狀試劑之混合時，可先將第一種試劑滴入該第一注入口304中，使第一試劑被微流道300之毛細力驅動，而朝微流道300排出口306方向流動，並於流經該混合區間301時，將第二種試劑注入該第二注入口305中，此時，位於連通部301之第二試劑會被該毛細部302之毛細力逐漸吸入，而開始與第一種試劑進行混合，並於混合後一起流出該混合區間301，便完成兩種試劑之混合作業。

在上述兩種試劑之混合說明中，第二種試劑也可改成乾粉狀試劑，此時，是先將該乾粉狀第二種試劑塗佈於該混合區間301之毛細部303內壁面後，再將第一種試劑滴入該第一注入口304中，使得第一種試劑流經該混合區間301時，會開始與該乾粉狀第二種試劑進行混合，使待測物能夠開始產生反應，且混合後之液體會受毛細力影響而繼 續通過該混合區間301，朝該排出口306方向流動，以便進行後續之其它檢測。

另外，在本實施例中，該中間層32是由雙面膠帶所構成，但實施時，該中間層32也可改採用具親水性之JSR光阻材料或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，Polymethylmethacrylate)光阻材料，當採用上述兩種親水性光阻材料作為中間層32時，可先將上述親水性光阻材料固定於基板層31後，透過曝光顯影方式，來建構出該微孔道321。此時，由於該基板層31、中間層32與上蓋層33皆是由親水性材料製成，所以可進一步提高微流道300之毛細力，有助於提高液體輸送效率，且因該等光阻材料可在較低溫度熱接合固定於玻璃材料之基板層31與上蓋層33，所以製程簡單快速。

歸納上述，透過以親水性材料作為基板層31與上蓋層33，並以雙面膠帶或親水性光阻材料作為中間層32所建構完成之血液凝固測試用生醫晶片3，可有效透過微流道300本身之毛細力自體驅動高黏稠度之血液的流動，並可透過沿該微流道300之長度方向間隔設置的第一注入口304與該第二注入口305，及該微流道300連通於該第二注入口305之混合區間301的結構設計，有效進行兩種試劑之混合與輸送，而可用以進行血液凝固測試，且加入該混合區間301中之試劑可以是粉末狀試劑或液體狀試劑。因此，本發明血液凝固測試用生醫晶片3用途極廣，深具商業潛力，可應用於加護病房、急診處或手術室等需立即檢測血液凝 固機制的醫療環境，有助於提高醫療品質，且也可適用於一般民眾自行進行血液凝固測試。

此外，上述親水性基板層31、中間層32與上蓋層33在使用過程中，會恆久保有親水性特性，不會有傳統經過親水性表面修飾之晶片會回復斥水性的困擾。再加上以雙面膠帶或JSR、PMMA等親水性光阻材料作為中間層32的設計，使得基板層31、中間層32與上蓋層33可在較低溫環性下進行接合，方便進行製造。因此，確實可達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

3‧‧‧血液凝固測試用生醫晶片

300‧‧‧微流道

301‧‧‧混合區間

302‧‧‧連通部

303‧‧‧毛細部

304‧‧‧第一注入口

305‧‧‧第二注入口

306‧‧‧排出口

31‧‧‧基板層

32‧‧‧中間層

321‧‧‧微孔道

322‧‧‧外擴段

33‧‧‧上蓋層

331‧‧‧第一注入孔

332‧‧‧第二注入孔

333‧‧‧排出孔

334‧‧‧標示線

800‧‧‧水輔助雷射設備

圖1是本發明血液凝固測試用生醫晶片之一較佳實施例的立體分解圖；圖2是該較佳實施例的俯視圖；圖3是該較佳實施例之一上蓋層進行水輔助雷射加工之示意圖；圖4是類似圖3之視圖，說明以水輔助雷射於貼負載基板層頂面之中間層加工出微孔道的示意圖；及圖5是該較佳實施例進行檸檬酸化血液之各項凝固時間測試的時間分布柱狀圖。

3‧‧‧生醫晶片

31‧‧‧基板層

32‧‧‧中間層

321‧‧‧微孔道

322‧‧‧外擴段

33‧‧‧上蓋層

331‧‧‧第一注入孔

332‧‧‧第二注入孔

333‧‧‧排出孔

334‧‧‧標示線

Claims (1)

1. 一種含有乾粉狀試劑的血液凝固測試用生醫晶片，包含：(a)一血液凝固測試用生醫晶片，其包含：由下往上依序疊接之一親水性材質的基板層、一中間層，及一親水性材質的上蓋層，且該基本層、該中間層與該上蓋層相配合界定出一封閉之細長的一微流道、分別開設於該上蓋層並連通於該微流道兩相反端之一第一注入口與一排出口，及一鄰近該第一注入口且與該微流道連通之第二注入口，該微流道具有一徑向外擴並與該第二注入口連通的一混合區間，該混合區間之該徑向外擴口徑大於該第二注入口口徑，並具有一位於該第二注入口下方之連通部，及一介於該基板層與該上蓋層間並連通繞設於該連通部周圍之毛細部，且該微流道之內徑小至會產生驅使該第一注入口中之血液及該第二注入口中之試劑自動沿其長度方向流動之毛細力，而會驅使血液自動流經該毛細部，並將該連通部中之試劑吸入混合後，朝該排出口方向流動；及(b)乾粉狀之一第二種試劑塗佈於該混合區間內壁面；其係將(c)液體狀之一第一種試劑滴入該第一注入口中，利用該微流道產生之毛細力自驅動該第一種試劑流動經過該混合區間之該毛細部，使流經該毛細部之該第一種試劑逐漸帶走該混合區間中之乾粉狀之該第二種試劑，使該第二種試劑混合於該第一種試劑後，一起通 通過該混合區間。