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作品名称：基于微流控芯片的肿瘤细胞无标记分选与分析技术系统
学校名称：山东理工大学
参赛队伍：三星队
队伍编号：222616
参赛学生：李欣珂王春旭王雨辰
指导老师：李高林
投票日期：2025年10月10日 00:00->2025年12月15日 00:00
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详细说明

基于微流控芯片的肿瘤细胞无标记分选与分析技术系统，围绕循环肿瘤细胞（CTCs）的高效、高纯度、高通量分离及无损分析需求，通过多学科交叉创新，构建了一套完整的从细胞分选到精准分析的解决方案。该系统以CTCs与血细胞间的物理特性差异（如尺寸、刚度）为分离依据，避免了传统生物标记方法的高成本、操作复杂及对细胞活性的影响，展现了显著的技术创新性和应用潜力。系统的核心创新始于对确定性侧向位移（DLD）分选技术的微结构优化。传统DLD芯片采用圆形微柱，其临界尺寸较大，易堵塞且通量受限。本研究突破经验化设计模式，通过贝塞尔曲线拟合构建参数化模型，以降低第一流束宽度为目标优化流场，首创了“液滴形”微柱形貌。该形貌相比圆形微柱临界尺寸降低21.25±1.91%，通量提升28%，且比三角形微柱流体引导更顺畅、细胞友好性更佳。这种基于流场调控的形貌优化方法，为微流控器件的理性设计提供了新范式。

在此基础上，系统创新性地设计了两级阵列DLD芯片，其第一级和第二级临界尺寸分别设定为8μm和13μm，巧妙应对了CTCs的尺寸异质性（4-30μm）与白细胞（5-20μm）的尺寸重叠难题。该芯片结构简单，重复性高，实验表明其对CTCs的分选纯度高达98.25±2.48%，回收效率达96.30±2.10%，通量可达2mL/min，实现了稀有细胞的高性能无标记分选。针对两级分选后中间出口仍存在的尺寸接近细胞混合问题，系统提出了另一项核心创新：基于刚度差异的控制流体流速无标记精确分选理论。通过3D固体力学接触仿真与流体力学仿真耦合分析，首次解析了细胞穿过锥形通道时临界入口流率与细胞尺寸、杨氏模量的定量关系。据此理论开发的锥形通道芯片，在35μL/min通量下，成功将癌细胞纯度从9.3%提升至16.67%（提升约1.8倍），回收效率为75%，实现了对DLD等传统尺寸分选技术无效区域的精确补充筛选。

最终，系统通过集成模块化设计，将高通量两级阵列DLD分选子系统、锥形通道精筛模块与拉曼显微光谱分析子系统无缝对接。特别开发的玻璃-打孔PDMS-玻璃聚焦芯片，有效避免了常用材料PDMS对拉曼信号的干扰，确保了分析的高精度。该系统实现了全流程无标记操作，完成了从临床量级血样中CTCs的高效富集、高纯度分离到无损伤、高精度化学成像分析的全链条操作，并初步探索了单细胞封装芯片用于下游单细胞测序的潜力，展现出强大的临床应用前景。总之，本技术系统通过微结构创新、多物理场耦合理论突破及系统集成，解决了CTCs无标记分选分析中的多个关键瓶颈问题，为癌症的液体活检提供了一种高性能、完整且实用的技术平台。