循环肿瘤细胞(Circulating tumor cells,CTCs)是在癌症病人血液中发现的肿瘤细胞。这些细胞从肿瘤原发灶上脱落并穿过基底膜和血管壁进入人体血液循环,最终在某些组织或器官侵出血管并定植,形成肿瘤转移灶。CTCs在癌症相关基础研究和临床应用中具有着重要意义:1、配合血检进行的CTCs检测更加安全方便且灵敏度更高;2、可通过检测有无CTCs辅助判断癌症发生与否,也可根据CTCs数量随病情以及治疗状况的变化来预测癌症预后;3、对于CTCs的DNA及RNA的扩增与测序有助于了解肿瘤转移灶表型,研究转移灶异质性,揭示肿瘤转移过程中CTCs相关信号通路的表达情况等;4、分析CTCs蛋白分泌情况可了解CTCs脱落、侵入、循环、侵出、定植和增殖等过程中的分子机制等。对CTCs的研究有助于揭示转移机制,实现癌症早期诊断和病情/治疗监测。但是人体血液环境复杂,其中正常血细胞数量巨大(每毫升血液有数十亿红细胞、几百万白细胞),还存在各种蛋白质、核酸、糖类等物质。同时癌症病人血液CTCs含量非常稀少,每毫升血液中仅几个至几百个CTCs,因此对于CTCs进行富集纯化以及后续生物学分析是巨大的技术挑战。作为近年快速发展的微量流体操控手段,微流控芯片技术可在微米甚至纳米尺度上实现对特定生化现象/过程的检测、分析及操控。微流控芯片技术以微米尺度通道网络为结构特征,利用微加工技术制作的精密结构单元可以精确控制流体在这种通道网络中的运动,一方面能将常规生化实验室中的样品检测/分析等各类操作集成在一块仅几平方厘米的芯片上,实现集成化、自动化和小型化;另一方面因流体运动在微纳尺度下具有不同于宏观尺度的规律,微流控芯片技术能利用这些特殊规律为化学和生物学研究提供新的研究思路。上述优势使得工作尺度上和微米级的细胞高度契合的微流控芯片技术已逐步应用于CTCs的相关研究。虽然利用微流控芯片技术已经能够较为高效地分离CTCs,但是这些技术也有着很大的局限性:1、CTCs在被芯片捕获之后难以从芯片中释放出来进行收集;2、难以保证细胞的活性进行后续培养与分析;3、获得的CTCs样本的纯度低下。因此,本论文围绕上述三个当前微流控技术在分离CTCs方面的不足展开,从现在快速发展的具有各种强大功能的纳米材料入手,将具有良好生物兼容性以及可降解特性的纳米材料与微流控技术手段相结合,在实现CTCs高效率捕获的同时,实现CTCs从器件上高效释放,为后续的CTCs生化分析提供高活性高纯度的研究样本。本论文的主要工作有:1、利用可降解的二氧化锰纳米纤维衬底和微流控芯片相结合高效捕获肿瘤细胞。利用电纺技术及lift-off技术在玻璃衬底上制备了蛇形结构的具有良好透光性和生物兼容性的二氧化锰纳米纤维,同时配合利用聚二甲基硅氧烷材料制作具有微流体通路的盖板,组合成微沟道内部具有三维纳米结构的微流控芯片芯片,研究了该芯片通过增强与肿瘤细胞的相互作用提高捕获效率的过程;之后通过化学修饰在芯片上结合抗体Anti-EpCAM用于捕获肿瘤细胞;最后通过草酸降解二氧化锰纳米纤维的办法实现被捕获肿瘤细胞的高效释放,同时验证了释放后的肿瘤细胞仍然保持良好的生物活性。2、考虑到草酸对于细胞活性仍然有较为明显的影响,锰离子对于细胞有一定的毒副作用,并且上述芯片获得的CTCs纯度仍然有限,利用具有良好生物兼容性的明胶纳米材料包覆尺寸为40微米的二氧化硅微球用于高效捕获CTCs。通过席夫碱反应将纳米级的明胶包覆在二氧化硅微球表面,明胶形成的三维纳米结构一方面会增强与肿瘤细胞之间的相互作用,另一方面由于自身的高比表面积而可以结合上更多的CTCs捕获抗体Anti-EpCAM,从而提高对于肿瘤细胞的捕获效率。之后实验探索了硅球数量对于细胞捕获效率的影响,并且考察了不同的外界环境对于硅球捕获肿瘤细胞的影响。之后,通过与硅球的结合实现对于CTCs的尺寸放大,利用声波微流控芯片对于不同尺寸粒子的不同作用实现CTCs与正常血细胞之间的高效分离,从而有效剔除正常的血细胞(红细胞、白细胞等),提高获得的CTCs浓度。之后通过更加温和的明胶酶对于明胶的降解作用,将CTCs从硅球表面分离出来,得到高纯度高活性的CTCs样本。最后应用该方法分离了 8位结直肠癌病人以及8位乳腺癌病人的CTCs。