一種基于MEMS和細(xì)胞電場效應(yīng)的細(xì)胞融合方法的研究.pdf

1、細(xì)胞融合是細(xì)胞工程最基本的核心技術(shù)之一，是細(xì)胞工程研究的重要內(nèi)容。細(xì)胞融合技術(shù)已逐步從動(dòng)物細(xì)胞的融合擴(kuò)展到植物細(xì)胞、微生物細(xì)胞，甚至真菌的融合，導(dǎo)致了細(xì)胞工程技術(shù)的新突破。盡管細(xì)胞融合技術(shù)已經(jīng)取得了長足進(jìn)展，但仍然存在著諸多問題。針對(duì)目前正在使用的細(xì)胞融合技術(shù)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(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用、低電壓驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞融合方法，并研究了與之密切相關(guān)的電介質(zhì)電泳效應(yīng)。這些研究工作對(duì)于發(fā)展細(xì)胞融合的

2、相關(guān)理論和技術(shù)具有積極的作用，是在國內(nèi)具有開拓性和創(chuàng)新性的工作。 本論文的主要研究內(nèi)容如下： (1)本論文應(yīng)用細(xì)胞工程中的細(xì)胞融合理論、電介質(zhì)物理理論、電場對(duì)細(xì)胞的作用理論，結(jié)合MEMS(MicroElectroMechanicalsystems，微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)，研究了一種新型的細(xì)胞融合方法。設(shè)計(jì)并制作完成一種基于MEMS技術(shù)和細(xì)胞電場效應(yīng)的、可用于細(xì)胞融合的新型芯片——細(xì)胞電場效應(yīng)融合芯片(CellinElectri

3、cal-fieldFusionMicrochip，CEFM)。在理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，并充分參考細(xì)胞融合電場誘導(dǎo)法中的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，確定了芯片工作的電學(xué)條件。設(shè)計(jì)、制作完成驅(qū)動(dòng)芯片工作的外圍電路子系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)細(xì)胞電場效應(yīng)融合芯片正常工作。 (2)根據(jù)電介質(zhì)物理理論和電場理論，在具體研究中特別注意了細(xì)胞的電場效應(yīng)，研究了與CEFM密切相關(guān)的細(xì)胞電介質(zhì)電泳效應(yīng)，構(gòu)建了細(xì)胞在CEFM中的電場效應(yīng)模型(包括CEFM中懸浮液細(xì)胞的電學(xué)

4、模型、CEFM中懸浮液細(xì)胞的電偶極子模型等)。并在理論分析基礎(chǔ)之上，結(jié)合細(xì)胞電場效應(yīng)融合芯片的研究進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。相關(guān)工作成果指導(dǎo)了細(xì)胞融合芯片及其驅(qū)動(dòng)電路的研制，這部分內(nèi)容的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究是CEFM相關(guān)研究的第一環(huán)節(jié)，也是CEFM相關(guān)研究中的基礎(chǔ)研究環(huán)節(jié)。 本論文取得了以下主要研究結(jié)果： (1)在關(guān)于細(xì)胞融合芯片中細(xì)胞排隊(duì)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(xì)胞融合芯片的設(shè)計(jì)思

5、路和方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微電極陣列細(xì)胞融合芯片的可行性； (2)根據(jù)霍奇金-赫克利斯模型利用類比分析法構(gòu)建起CEFM中懸浮液細(xì)胞的電學(xué)模型，從電介質(zhì)物理Maxwell-Wagner的界面極化理論出發(fā)，構(gòu)建了CEFM中懸浮液細(xì)胞的電偶極子模型。并進(jìn)一步構(gòu)建了CEFM細(xì)胞懸浮液中細(xì)胞的介電模型、CEFM內(nèi)單細(xì)胞電介質(zhì)電泳效應(yīng)模型和CEFM內(nèi)多細(xì)胞電介質(zhì)電泳效應(yīng)模型。并導(dǎo)出了CEFM內(nèi)細(xì)胞電介質(zhì)電泳力FDEP的理論全表達(dá)公式。理論和

6、實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果證明了，應(yīng)用細(xì)胞的電介質(zhì)電泳效應(yīng)操控CEFM內(nèi)細(xì)胞進(jìn)行定向遷移的可行性； (3)在關(guān)于細(xì)胞電場效應(yīng)融合芯片的研究中應(yīng)用類似“尖-平板”狀的微電極和交叉梳狀電極組結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高場強(qiáng)梯度電場。在此微電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，先后詳細(xì)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(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)加工了芯片； (4)論文定量分析了細(xì)胞融合的前兩個(gè)過程：細(xì)胞排對(duì)、細(xì)胞膜穿孔，在充分參考先驗(yàn)數(shù)據(jù)，并

7、結(jié)合理論模型分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了有關(guān)驅(qū)動(dòng)細(xì)胞電場效應(yīng)融合芯片的電信號(hào)的技術(shù)參數(shù)(輸入CEFM電信號(hào)的波形、幅值、頻率、時(shí)長，以及波形序列)。積極研制出驅(qū)動(dòng)CEFM的“細(xì)胞電場效應(yīng)融合儀”，其各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到預(yù)先的設(shè)計(jì)要求； (5)構(gòu)建了基于細(xì)胞電場效應(yīng)融合芯片CEFM的細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)第一批CEFM芯片進(jìn)行了有關(guān)“細(xì)胞電介質(zhì)電泳的實(shí)驗(yàn)研究”和“細(xì)胞膜瞬時(shí)可逆性電穿孔”實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)中觀察到細(xì)胞在芯片內(nèi)的微通