基于MEMS的低電壓細(xì)胞融合芯片與系統(tǒng)的研究.pdf

1、細(xì)胞電融合技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的細(xì)胞融合技術(shù)而言，具有電參數(shù)易于精確控制、對(duì)細(xì)胞無(wú)毒性、融合效率高、應(yīng)用對(duì)象廣泛以及樣本損耗低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于雜交瘤細(xì)胞的抗體制備、哺乳動(dòng)物克隆、基因工程研究、癌癥疫苗研制以及新物種的培育等生物技術(shù)領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　傳統(tǒng)的電融合方法中電極間距大，對(duì)設(shè)備的輸出信號(hào)幅值要求高，存在設(shè)備體積大，操作存在安全隱患等缺點(diǎn)。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Sys

2、tems，簡(jiǎn)稱 MEMS)工藝技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行微芯片系統(tǒng)下的細(xì)胞電融合研究越來(lái)越受到關(guān)注，其研究的報(bào)導(dǎo)數(shù)量也在逐漸上升，但關(guān)于細(xì)胞電融合的自動(dòng)化以及相配套的低電壓融合儀器的研究報(bào)道較少。利用MEMS技術(shù)制作融合間距在微米級(jí)的微電極芯片，將大幅降低細(xì)胞電融合所需的電壓值，提高實(shí)驗(yàn)的安全性、可靠性。
　　本文基于MEMS技術(shù)，提出了一種細(xì)胞進(jìn)樣、融合的自動(dòng)化集成方案，并設(shè)計(jì)、制作了低電壓細(xì)胞電融合系統(tǒng)。該系統(tǒng)以微電極芯片為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在

3、自行設(shè)計(jì)的多功能細(xì)胞操控系統(tǒng)的控制下，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的電融合及電破碎，為細(xì)胞電融合的微型化提供借鑒。
　　細(xì)胞的成串排列以及細(xì)胞膜的電穿孔是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞電融合的前提。本文首先研究了細(xì)胞的電介質(zhì)電泳排隊(duì)以及細(xì)胞膜電穿孔理論；在此基礎(chǔ)上為尋求細(xì)胞膜穿孔電壓與電融合信號(hào)之間的頻率關(guān)系，根據(jù)細(xì)胞的電學(xué)特性，將電學(xué)仿真軟件Multisim分別用于三層、五層細(xì)胞電學(xué)模型的頻率響應(yīng)特性仿真研究，得出細(xì)胞膜對(duì)電融合信號(hào)具有低通濾波作用、細(xì)胞核膜對(duì)電融合信

4、號(hào)具有帶通濾波作用且它們存在頻帶重合的結(jié)論；對(duì)三層細(xì)胞電學(xué)模型進(jìn)行了電感特性修正，為細(xì)胞電融合提供了參考。細(xì)胞電融合芯片的電極形狀對(duì)融合電場(chǎng)的分布、細(xì)胞融合的高通量以及細(xì)胞融合率的影響很大。本文利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)四種不同形狀電極的電場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真對(duì)比，發(fā)現(xiàn)交錯(cuò)式半圓形齒狀電極結(jié)構(gòu)相對(duì)于交錯(cuò)式正方形齒狀電極而言，具有更寬的融合有效電場(chǎng)分布，電場(chǎng)梯度分布均勻更適合細(xì)胞的電融合與分離，是電極設(shè)計(jì)的首選；并采用剝離工藝在玻璃基底上

5、制作了鉑/鈦微電極芯片。鑒于細(xì)胞電融合對(duì)信號(hào)源的要求以及現(xiàn)有細(xì)胞電融合儀的不足之處，結(jié)合細(xì)胞破碎以及細(xì)胞電融合系統(tǒng)之間的共性，本文實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞破碎以及細(xì)胞電融合系統(tǒng)的集成，設(shè)計(jì)了基于微電極芯片的多功能、高精度的細(xì)胞操控系統(tǒng)，并進(jìn)行了細(xì)胞破碎以及電融合的實(shí)驗(yàn)研究。從微流控細(xì)胞電融合芯片的自動(dòng)化集成角度考慮，在研究介電擊穿理論以及電滲驅(qū)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，本文提出了將介電擊穿與電滲驅(qū)動(dòng)結(jié)合用于細(xì)胞電融合進(jìn)樣的方案；根據(jù)COMSOL仿真結(jié)果，制作了

6、對(duì)稱交錯(cuò)式間隙阻隔的介電擊穿微流控進(jìn)樣芯片，并進(jìn)行了細(xì)胞進(jìn)樣實(shí)驗(yàn)。此外，本文在細(xì)胞電融合的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)焦耳熱以及電極水解率不但與電場(chǎng)強(qiáng)度、脈沖寬度的大小成正比，還與脈沖的占空比成正比，它們之間存在一個(gè)乘積關(guān)系的最優(yōu)值，對(duì)傳統(tǒng)的理論進(jìn)行了補(bǔ)充解釋。
　　本文根據(jù)微電極的電場(chǎng)分布以及細(xì)胞電融合的信號(hào)需求，分別設(shè)計(jì)制作了微電極芯片和細(xì)胞操控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低電壓細(xì)胞電融合系統(tǒng)的集成。該系統(tǒng)具有所需融合電壓和制作成本低、操作簡(jiǎn)單、以及微型化等