一種基于MEMS和細胞電場效應的細胞融合方法的研究.pdf

1、細胞融合是細胞工程最基本的核心技術之一，是細胞工程研究的重要內容。細胞融合技術已逐步從動物細胞的融合擴展到植物細胞、微生物細胞，甚至真菌的融合，導致了細胞工程技術的新突破。盡管細胞融合技術已經取得了長足進展，但仍然存在著諸多問題。針對目前正在使用的細胞融合技術的不足，本論文研究了一種微型化、可視化、集成化程度高、低成本、不會對細胞產生毒害作用、低電壓驅動的細胞融合方法，并研究了與之密切相關的電介質電泳效應。這些研究工作對于發(fā)展細胞融合的

2、相關理論和技術具有積極的作用，是在國內具有開拓性和創(chuàng)新性的工作。 本論文的主要研究內容如下： (1)本論文應用細胞工程中的細胞融合理論、電介質物理理論、電場對細胞的作用理論，結合MEMS(MicroElectroMechanicalsystems，微機電系統(tǒng))技術，研究了一種新型的細胞融合方法。設計并制作完成一種基于MEMS技術和細胞電場效應的、可用于細胞融合的新型芯片——細胞電場效應融合芯片(CellinElectri

3、cal-fieldFusionMicrochip，CEFM)。在理論分析和實驗研究的基礎上，并充分參考細胞融合電場誘導法中的相關技術參數，確定了芯片工作的電學條件。設計、制作完成驅動芯片工作的外圍電路子系統(tǒng)，驅動細胞電場效應融合芯片正常工作。 (2)根據電介質物理理論和電場理論，在具體研究中特別注意了細胞的電場效應，研究了與CEFM密切相關的細胞電介質電泳效應，構建了細胞在CEFM中的電場效應模型(包括CEFM中懸浮液細胞的電學

4、模型、CEFM中懸浮液細胞的電偶極子模型等)。并在理論分析基礎之上，結合細胞電場效應融合芯片的研究進行了相關實驗研究。相關工作成果指導了細胞融合芯片及其驅動電路的研制，這部分內容的理論分析與實驗研究是CEFM相關研究的第一環(huán)節(jié)，也是CEFM相關研究中的基礎研究環(huán)節(jié)。 本論文取得了以下主要研究結果： (1)在關于細胞融合芯片中細胞排隊方法的研究中，本論文先后研究了基于MEMS的微小室陣列和微電極陣列兩種細胞融合芯片的設計思

5、路和方案，并通過實驗驗證了微電極陣列細胞融合芯片的可行性； (2)根據霍奇金-赫克利斯模型利用類比分析法構建起CEFM中懸浮液細胞的電學模型，從電介質物理Maxwell-Wagner的界面極化理論出發(fā)，構建了CEFM中懸浮液細胞的電偶極子模型。并進一步構建了CEFM細胞懸浮液中細胞的介電模型、CEFM內單細胞電介質電泳效應模型和CEFM內多細胞電介質電泳效應模型。并導出了CEFM內細胞電介質電泳力FDEP的理論全表達公式。理論和

6、實驗分析結果證明了，應用細胞的電介質電泳效應操控CEFM內細胞進行定向遷移的可行性； (3)在關于細胞電場效應融合芯片的研究中應用類似“尖-平板”狀的微電極和交叉梳狀電極組結構實現高場強梯度電場。在此微電極結構的設計基礎上，先后詳細研究了三維微電極陣列和二維微電極陣列兩種微電極陣列的方案。最終用二維微電極陣列的設計方案設計加工了芯片； (4)論文定量分析了細胞融合的前兩個過程：細胞排對、細胞膜穿孔，在充分參考先驗數據，并

7、結合理論模型分析的基礎上，推導了有關驅動細胞電場效應融合芯片的電信號的技術參數(輸入CEFM電信號的波形、幅值、頻率、時長，以及波形序列)。積極研制出驅動CEFM的“細胞電場效應融合儀”，其各項指標基本達到預先的設計要求； (5)構建了基于細胞電場效應融合芯片CEFM的細胞融合實驗平臺，并在該實驗平臺上對第一批CEFM芯片進行了有關“細胞電介質電泳的實驗研究”和“細胞膜瞬時可逆性電穿孔”實驗研究。在實驗中觀察到細胞在芯片內的微通