具有并行结构的无膜透析微流控芯片

1.本发明涉及具有并行结构的无膜透析微流控芯片。


背景技术：

2.目前，我国透析患者近80万，随着我国老龄化的进展加速，透析质量和透析治疗率不断的提高，医疗保险的改善和完善，透析患者人数大约以每年10％的速度持续增长，预计在2030年需要透析治疗的患者数将突破300万人。透析是延长病人生命，提高晚期病人生活质量的有效措施之一。血液透析机俗称“人工肾”，是一种能代替部分肾功能，清除血液中有害物质，纠正体内电解质与维持酸碱平衡的体外血液透析装置。
3.现有透析装置大都为有膜透析，透析效果取决于透析膜的理化特性。目前临床上常用的透析膜有3种：再生纤维素膜、改良的纤维素膜、合成的聚合物膜，它们都具有较好的生物相容性，能对溶质有较高清除率，且能够阻止“大分子”物质通过，如血流中的红细胞、蛋白质和透析液中的细菌、病毒等。但使用透析膜还存在一些问题，首先，所有透析膜或多或少的还存在“排斥”，透析膜表面会与血液的细胞和血浆成分发生非生理反应。其次，与透析膜直接接触的血层相对于透析膜是静止的，一旦这层血液与透析膜发生交换，它就成为后续血液进行运输交换的障碍，使得运输变得更加困难和缓慢。最后，膜表面在经过一段时间的使用会造成膜的污染。在整个治疗期内，透析膜界面保持在固定位置，任何附着在界面上的材料都倾向于保持不变。随着时间的推移，表面会被污染，其有效性会降低。便携式透析装置(或人工肾)，可随身携带，可像心脏起搏器一样，成为病人身体的一部分，作为病人延续生命的辅助设备。人工肾微流控芯片的开发与完善，是人工肾的瓶颈问题之一。
4.尽管微流控芯片，具有结构简单、能够平稳高效的将小分子病毒等有害组分从血液中分离出来，并通过反射柱减少细胞损失，但是单个芯片通道处于微米量级，液体的流动又处于层流状态，因此，其工作容量小，单位时间处理血液的量有限。


技术实现要素：

5.为解决这一问题，本发明提供了一种蜂巢网络并行结构的微流控芯片，解决工作容量问题，可根据实际的人工肾流量，选择并行通道的数量；同时本发明可以利用蜂巢网络结构及分流通道，从左右两侧轮换清洗层流流动的血液，使血液得到充分透析，透析液得到充分利用。
6.该无膜透析微流控芯片除了解决现有透析存在的效率低细胞损失大的问题，有效增加透析效率并减少血细胞的损失外，还利用其并行蜂巢网络结构，达到了提高芯片工作容量，以及降低人工肾体积的目的，增加了透析液利用效率。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：具有并行结构的无膜透析微流控芯片，包括多个透析组件，且所述多个透析组件并联设置，所述透析组件沿血液流动的方向交替形成清洗段和分离段；透析组件包括血液通道和透析液通道，所述血液通道和所述透析液通道两者在清洗段相遇，在分离段分离；在清洗段时，血液和透析液在清洗段通道中心
接触，且在进入下一个清洗段时，血液和透析液的接触面是上一个清洗段的外侧流体。
8.以入口处为起点，血液和透析液共同沿清洗段流动，由于是微流动且处于层流状态，血液和透析液通过接触面浓度梯度扩散有害物质，使血液得到清洗，清洗段中安装反射柱，强化了传质过程；血液和透析液流出清洗段后，分别在分离段流动，进入下一个清洗段时，血液和透析液的接触面是上一个清洗段的外侧流体，如此，对血液两侧交替清洗，接触面浓度梯度增加，提高了清洗效率，且清洗段和分离段的并联设计，形成蜂巢网络结构，可大大增加工作容量。
9.作为优选，在第2n 1次清洗段时，血液通道和透析液通道在同一个透析组件中的血液通道和透析液通道相遇；在第2n次清洗段时，在相邻的两个透析组件中，其中一个透析组件的血液通道与另一个透析组件的透析液通道相遇。
10.作为优选，所述清洗段上设置有多个反射柱。
11.作为优选，相邻的两个反射柱之间的距离为200～500μm，反射柱的直径为80～120μm。
12.作为优选，血液和透析液的进口角度均为30～90
°
；血液和透析液的出口角度均为30～90
°
。
13.作为优选，血液进口和透析液进口的夹角为20～90
°
；血液出口和透析液出口的夹角为20～90
°
。
14.作为优选，血液通道和透析液通道的宽度为140～160μm，宽度为90～110μm。
15.作为优选，清洗段的长度为11500～13500μm，清洗段之间的距离为10000～12000μm。
16.综上所述，本发明具有以下有益效果：
17.1、本发明利用并行蜂巢网络结构及分流通道，从左右两侧轮换清洗层流流动的血液，使血液得到充分透析，透析液得到充分利用；
18.2、本发明利用并联蜂巢式网络结构，提高了芯片的工作容量，减小人工肾的体积。
附图说明
19.图1为本发明并行蜂巢网络结构的无膜透析芯片，微流体通道原理图；
20.图2为本发明并行蜂巢网络结构的无膜透析芯片，出入口尺寸及清洗段中心反射柱原理图。
21.附图标记：1、血液进口；2、透析液进口；3、清洗段；4、分离段；5、血液出口；6、透析液出口；7、反射柱。
具体实施方式
22.参照附图对本发明做进一步说明。
23.本实施例公开了具有并行结构的无膜透析微流控芯片，如图1和图2所示，包括多个透析组件，且所述多个透析组件并联设置，所述透析组件沿血液流动的方向交替形成清洗段3和分离段4；透析组件包括血液通道和透析液通道，所述血液通道和所述透析液通道两者在清洗段3相遇，在分离段4分离；在清洗段3时，血液和透析液在清洗段3通道中心接触，且在进入下一个清洗段3时，血液和透析液的接触面是上一个清洗段3的外侧流体。其
中，血液进口1、透析液进口2、清洗段3、分离段4、血液出口5、透析液出口6均安装于芯片外壳内，血液进口1和透析液进口2对称安装于清洗段3的入口处。从入口处为起点，沿清洗段3流动，并在清洗段3出口流入分离段4。
24.以入口处为起点，血液和透析液共同沿清洗段3流动，由于是微流动且处于层流状态，血液和透析液通过接触面浓度梯度扩散有害物质，使血液得到清洗，清洗段3中安装反射柱7，强化了传质过程；血液和透析液流出清洗段3后，分别在分离段4流动，进入下一个清洗段3时，血液和透析液的接触面是上一个清洗段3的外侧流体，如此，对血液两侧交替清洗，接触面浓度梯度增加，提高了清洗效率，且清洗段3和分离段4的并联设计，形成蜂巢网络结构，可大大增加工作容量，由于层流流动，横向扩散较慢，在此清洗段3内中心处，具有较大的浓度梯度，提高了血液的清洗效果。
25.在一些实施方案中，在第2n 1次清洗段3时，血液通道和透析液通道在同一个透析组件中的血液通道和透析液通道相遇；在第2n次清洗段3时，在相邻的两个透析组件中，其中一个透析组件的血液通道与另一个透析组件的透析液通道相遇。其中，n为自然数。
26.作为一种实施方式，该无膜透析微流控芯片包括三次清洗阶段以及两次分离阶段，在第2次清洗段3时，在相邻的两个透析组件中，其中一个透析组件的血液通道与另一个透析组件的透析液通道相遇。
27.作为优选，所述清洗段3上设置有多个反射柱7，反射柱7的具体结构参见中国专利cn113855886a。如此，清洗段3的中线位置安装反射柱7，强化了传质过程。如图2所示，清洗段3中间位置放置反射柱7，反射柱7两侧分别流过血液和透析液，利用f-l效应(fhrus-lindqvist effect)，使得反射柱7周围形成无细胞层，无细胞层与透析液接触，将血液中的小分子有害物质转移到透析液中被带走而达到“净化”血液的目的。进一步的，相邻的两个反射柱7之间的距离为200～500μm，反射柱7的直径为80～120μm。
28.在一些实施方案中，血液和透析液的进口角度均为30～90
°
(优选为60
°
)；血液和透析液的出口角度均为30～90
°
(优选为60
°
)。
29.血液进口1和透析液进口2的夹角为20～90
°
(优选为60
°
)；血液出口5和透析液出口6的夹角为20～90
°
(优选为60
°
)。进一步的，血液通道和透析液通道的宽度为140～160μm(优选为150μm)，宽度为90～110μm(优选为100μm)。清洗段3的长度为11500～13500μm(优选为12500μm)，清洗段3之间的距离为10000～12000μm(优选为12000μm)。血液与透析液入口水平距离为5300μm，入口出口连接处孔径为500μm，也可根据实际需要，改变芯片尺寸。
30.本发明的工作流程如下：
31.血液由血液进口1进入，透析液由透析液进口2进入，两种液体在进入清洗段3，由于微通道内的层流流动，使得它们在清洗段3流道两侧各自流动；在流动过程中，血液流经反射柱7，由于反射柱7引起的剪切梯度和壁效应升力会将细胞推离柱子表面，使得血液与透析液接触的部分中不含有血细胞、蛋白质等大分子，仅有小分子有害物质转移到透析液中被带走，这与血液直接和透析液接触的透析方式相比减少了血细胞的损失；血液和透析液流到清洗段3出口时，分别进入分离段4流道中，并保持层流状态；下一个清洗段3入口，通过分离段4将上一个清洗段3外侧流体导入清洗段3中心，利用浓度梯度，对血液进行高效清洗；而后经过若干清洗段3流道分流段流道后，进入最后一个清洗段3；之后，血液和透析液分别从血液出口5和透析液出口6流出，完成血液净化过程；由于多个微通道并联工作，大大
提高了微流控芯片的工作容量；由于交替清洗血液两侧，大大减少了透析液用量，提高透析效率。
32.本具体实施例中的指定方向仅仅是为了便于表述各部件之间位置关系以及相互配合的关系。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。