從全血分離白血球

另一方面， Andreas Lenshof and Thomas Laurell[21]兩人以及 Ali Asgar S.

Bhagat[22]的團隊將微流道分離血球的技術分成主動分離及被動分離技術兩種方 式。主動分離技術是利用外加的力場，如磁力[23]、光學[24]、電泳、聲波等，將 目標血球從流動的血液中分離出來，對於目標血球的方向以及過濾有較高的控制 能力，然而磁珠標記的方式仍需要對分離後的細胞進行磁珠的清洗或分離，對於細 胞分析不甚方便;另一方面，用光學光鉗子的方式雖然解決了標記細胞的問題，但 是雷射光源過高的能量，很可能造成細胞的死亡、損害。

相較之下，被動分離技術是屬於較不會傷害細胞的一種方式，且其原理簡單，

只依靠粒子本身的大小、重量、形狀、本身的物理性質而設計的獨特流道，如：微 柱結構、彎曲結構等，進而分離目標細胞[25]。本論文選擇採用被動式分離的方式，

期望實現在不傷害細胞且無需標記細胞的情況下將白血球分離出來。以下將詳細 介紹幾種常見被動式分離微流道晶片應用於血球分離的原理。其中包含：慣性流 (Inertial Flow)、橫向流(Cross Flow)、以及鞘流(Sheath Flow)。

慣 性 流 (Inertial Flow)[26-28] 是 利 用 粒 子 受 到 流 體 本 身 剪 應 力 梯 度 (shear gradient)以及牆壁效應(Wall Effect)的影響，使得不同大小的血球會在流體中不同的 位置達成橫向的力平衡，藉此將不同大小的細胞進行分離，如圖 1-7 所示。

圖 1-7 慣性流(Inertial flow)示意圖[26]

Fan-Gang Tseng[29, 30]的團隊設計一具有彎曲流道之全血處理微流道晶片(圖 1-8(A))，以減少慣性流的流道體積，藉由左右輪流彎曲而使被慣性流推向兩側之紅 血球有效地被分離至分支流道中，但是此微流道設計在光微影製程上要兩道曝光 顯影的步驟，導致製作晶片模具所需要的時間及技術要求較高。Hyung-A Hyun[31]

等人的團隊則提出並聯的方式提升分離細胞樣本體積的效率，如圖 1-8(B)所示，

在流道前端設計一流道將流入之細胞樣本平均分散至四道流道中，每道流道藉由 收縮流道接連的設計結構強化慣性力與牆壁效應的相互作用而分離不同大小的細 胞，體積較大的循環腫瘤細胞(Circulating Tumor Cells, CTCs)將平衡在流道的中間，

而體積較小顆的白血球則是平衡在流道兩側，藉此達到有效的分離，但該微流道晶 片所使用的並非全血樣本，而是經過裂解、分離後的細胞樣本，此外為了有好的分 離效率，需要設計較長的流道體積。

圖 1-8 慣性流微流道晶片[29, 31]

橫向流(Cross Flow)[32]，同樣是利用流體慣性力來分離大顆和小顆的粒子，不 同的是，橫向流在流道中建立一排的微小柱子，並利用柱子與柱子之間的距離來分 離小顆的粒子，並留下大顆的粒子在主流道，進而達到分離的效果。

Virginia VanDelinder and Alex Groisman 兩人提出一白血球高分離效率之橫向 流微流道晶片，藉由將橫向流之流道厚度設計為 3μm，以紅血球之延伸性足以通 過，而白血球則是被留在原流道中，然而此微流道之製程步驟需要兩道曝光顯影程 序，需要較長的時間及較繁複的技術。Xing Chen[33, 34]等人的團隊則是提出一利 用微柱結構之橫向流微流道晶片，並且以連續彎曲的流道設計來減少長流道晶片 的體積，此設計能夠有較高的紅血球分離效率，但其設計之橫向流微柱間距為 6.5μm，對於白血球來說仍然是足以穿過的大小，因此白血球之分離效率並不甚良 好。

圖 1-9 連續彎曲橫向流微流道晶片[33, 35]

鞘流(Sheath Flow)，是指在微小的尺度下，當兩個來源不同、且流速不同的流 體交會時，兩者並不會混合，而是在兩者之間形成分層，併行往下流。由於細胞會 順著本身質心在流體中的位置流動，也因此，當體積較小的細胞會因為被側向的鞘 流流體推動，使得質心留在樣本流體中，順著樣本流體往下流;另一方面，體積較 大的細胞被側向的鞘流流體推動時，會因為體積較大導致質心不會再樣本流體內，

而是在鞘流流體內，順著鞘流流體流動。

P .Sajeesh[36]的團隊設計一鞘流微流道，除了可以應用於分離不同大小的細胞，

亦能夠以細胞延展性程度的不同來進行分離(圖 1-10(A))。Myung Gwon Lee[37]等 人則是提出一個將鞘流與慣性流結合而成一被動式分離微流道(圖 1-10(B))，藉由 鞘流與伸縮流道的設計縮短了慣性流所需要之流道長度，提高分離效率，但此設計 適用於分離相對於其他血球大很多的癌症細胞，對濃度較高且大小相近的紅血球 與白血球是仍有難度的。

圖 1-10 鞘流分離微流道晶片[36, 37]

除了上述三種常見的分離原理外，仍有不少特殊的被動式分離血液微流道晶 片，如圖 1-11 所示，Jongchan Choi[38]等人設計一微柱障礙物微流道使紅血球與 白血球的流線產生偏差，進而分離；I. D. Johnston[39]等人則是提出藉由漩渦的流 道設計達到類似離心分離的效果；Yousang Yoon[40]的團隊設計了一十字微流道利 用一排陣列之微柱將細胞卡住，並藉由流體方向的來回沖洗，讓體積較小的血球細 胞通過微柱，而使體積較大的癌症細胞被留在微柱的一側。

圖 1-11 其他被動式血球分離微流道[38-40]