用于細(xì)胞排列的介電泳微流控芯片制備與實驗研究

張洋　張曉飛　白國花　方明　譚秋林　熊繼軍　孫東

摘要設(shè)計并制作了一種應(yīng)用于細(xì)胞排列的介電泳微流控芯片，以實現(xiàn)細(xì)胞的非接觸、批量排列。芯片主要包括PDMS微通道和“臺階”形ITO微電極。運(yùn)用仿真軟件COMSOL分析了微電極所形成的電場分布，確定了最大電場強(qiáng)度的位置；利用MEMS加工工藝制備了ITO微電極和PDMS微通道，PDMS微通道與帶有ITO電極的載玻片經(jīng)過氧等離子表面處理后，對準(zhǔn)鍵合獲得最終的微流控芯片。通過不同頻率下的介電泳實驗，實現(xiàn)了酵母菌細(xì)胞的介電泳運(yùn)動，并確定了正、負(fù)介電泳運(yùn)動的電場頻率。結(jié)果表明，酵母菌細(xì)胞在溶液電導(dǎo)率為60 μS/cm的環(huán)境下，1～10 kHz時，發(fā)生負(fù)介電泳運(yùn)動； 0.5～10 MHz時，發(fā)生正介電泳運(yùn)動； 50 kHz時，沒有發(fā)生介電泳運(yùn)動。并在施加8 Vpp，5 MHz交流電壓信號的條件下，實現(xiàn)了酵母菌細(xì)胞沿“臺階”形電極邊緣直線排列。關(guān)鍵詞介電泳； 微流控芯片； 有限元仿真； 細(xì)胞排列

1引言

近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical system， MEMS）技術(shù)的發(fā)展，微流控芯片實驗室（Labonachip）得到了前所未有的發(fā)展。在生物醫(yī)學(xué)工程和組織工程中，以細(xì)胞或組織為對象的微操作技術(shù)對腫瘤細(xì)胞療法、體外器官組織培養(yǎng)、新藥的研發(fā)等研究具有至關(guān)重要的作用＼[1，2＼]。介電泳（Dielectrophoresis， DEP）以非接觸、可批量并行操作的優(yōu)勢被廣泛的應(yīng)用到生物粒子操作中，例如細(xì)胞的富集分離、篩選、旋轉(zhuǎn)、拉伸等操作。Doh等＼[3＼]設(shè)計了一種細(xì)胞分離介電泳芯片，通過施加間歇性的交流信號，實現(xiàn)了酵母菌細(xì)胞的連續(xù)分離； Han等＼[4＼]利用電壓信號相位差為90°的四電極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)，并通過細(xì)胞電旋轉(zhuǎn)測量了細(xì)胞的膜電容和膜電導(dǎo)； Guido等＼[5＼]利用兩個平行的微電極產(chǎn)生的介電泳力拉伸Jurkat細(xì)胞，測定了該細(xì)胞的力學(xué)性能。目前細(xì)胞組裝排列的方法主要有表面黏附＼[6＼]、微捕獲井陣列＼[7＼]、光鑷＼[8＼]等。但是表面黏附和微捕獲井陣列的加工工藝較為復(fù)雜，并且容易損傷細(xì)胞； 光鑷適用于單個或幾個細(xì)胞的高精度操作，難以實現(xiàn)大批量的并行操作； 介電泳則可以實現(xiàn)對批量細(xì)胞非接觸并行操作。本研究以細(xì)胞排列為應(yīng)用，依據(jù)微粒子介電泳操作原理，設(shè)計一種“臺階”形的電極結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用COMSOL Mutiphysics有限元仿真軟件分析電場分布，通過施加不同頻率的交流信號，確定酵母菌細(xì)胞的正、負(fù)介電泳頻率，并利用酵母菌正介電泳運(yùn)動，使細(xì)胞沿“臺階”呈直線排列。

摘要設(shè)計并制作了一種應(yīng)用于細(xì)胞排列的介電泳微流控芯片，以實現(xiàn)細(xì)胞的非接觸、批量排列。芯片主要包括PDMS微通道和“臺階”形ITO微電極。運(yùn)用仿真軟件COMSOL分析了微電極所形成的電場分布，確定了最大電場強(qiáng)度的位置；利用MEMS加工工藝制備了ITO微電極和PDMS微通道，PDMS微通道與帶有ITO電極的載玻片經(jīng)過氧等離子表面處理后，對準(zhǔn)鍵合獲得最終的微流控芯片。通過不同頻率下的介電泳實驗，實現(xiàn)了酵母菌細(xì)胞的介電泳運(yùn)動，并確定了正、負(fù)介電泳運(yùn)動的電場頻率。結(jié)果表明，酵母菌細(xì)胞在溶液電導(dǎo)率為60 μS/cm的環(huán)境下，1～10 kHz時，發(fā)生負(fù)介電泳運(yùn)動； 0.5～10 MHz時，發(fā)生正介電泳運(yùn)動； 50 kHz時，沒有發(fā)生介電泳運(yùn)動。并在施加8 Vpp，5 MHz交流電壓信號的條件下，實現(xiàn)了酵母菌細(xì)胞沿“臺階”形電極邊緣直線排列。關(guān)鍵詞介電泳； 微流控芯片； 有限元仿真； 細(xì)胞排列

1引言

近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical system， MEMS）技術(shù)的發(fā)展，微流控芯片實驗室（Labonachip）得到了前所未有的發(fā)展。在生物醫(yī)學(xué)工程和組織工程中，以細(xì)胞或組織為對象的微操作技術(shù)對腫瘤細(xì)胞療法、體外器官組織培養(yǎng)、新藥的研發(fā)等研究具有至關(guān)重要的作用＼[1，2＼]。介電泳（Dielectrophoresis， DEP）以非接觸、可批量并行操作的優(yōu)勢被廣泛的應(yīng)用到生物粒子操作中，例如細(xì)胞的富集分離、篩選、旋轉(zhuǎn)、拉伸等操作。Doh等＼[3＼]設(shè)計了一種細(xì)胞分離介電泳芯片，通過施加間歇性的交流信號，實現(xiàn)了酵母菌細(xì)胞的連續(xù)分離； Han等＼[4＼]利用電壓信號相位差為90°的四電極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)，并通過細(xì)胞電旋轉(zhuǎn)測量了細(xì)胞的膜電容和膜電導(dǎo)； Guido等＼[5＼]利用兩個平行的微電極產(chǎn)生的介電泳力拉伸Jurkat細(xì)胞，測定了該細(xì)胞的力學(xué)性能。目前細(xì)胞組裝排列的方法主要有表面黏附＼[6＼]、微捕獲井陣列＼[7＼]、光鑷＼[8＼]等。但是表面黏附和微捕獲井陣列的加工工藝較為復(fù)雜，并且容易損傷細(xì)胞； 光鑷適用于單個或幾個細(xì)胞的高精度操作，難以實現(xiàn)大批量的并行操作； 介電泳則可以實現(xiàn)對批量細(xì)胞非接觸并行操作。本研究以細(xì)胞排列為應(yīng)用，依據(jù)微粒子介電泳操作原理，設(shè)計一種“臺階”形的電極結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用COMSOL Mutiphysics有限元仿真軟件分析電場分布，通過施加不同頻率的交流信號，確定酵母菌細(xì)胞的正、負(fù)介電泳頻率，并利用酵母菌正介電泳運(yùn)動，使細(xì)胞沿“臺階”呈直線排列。

摘要設(shè)計并制作了一種應(yīng)用于細(xì)胞排列的介電泳微流控芯片，以實現(xiàn)細(xì)胞的非接觸、批量排列。芯片主要包括PDMS微通道和“臺階”形ITO微電極。運(yùn)用仿真軟件COMSOL分析了微電極所形成的電場分布，確定了最大電場強(qiáng)度的位置；利用MEMS加工工藝制備了ITO微電極和PDMS微通道，PDMS微通道與帶有ITO電極的載玻片經(jīng)過氧等離子表面處理后，對準(zhǔn)鍵合獲得最終的微流控芯片。通過不同頻率下的介電泳實驗，實現(xiàn)了酵母菌細(xì)胞的介電泳運(yùn)動，并確定了正、負(fù)介電泳運(yùn)動的電場頻率。結(jié)果表明，酵母菌細(xì)胞在溶液電導(dǎo)率為60 μS/cm的環(huán)境下，1～10 kHz時，發(fā)生負(fù)介電泳運(yùn)動； 0.5～10 MHz時，發(fā)生正介電泳運(yùn)動； 50 kHz時，沒有發(fā)生介電泳運(yùn)動。并在施加8 Vpp，5 MHz交流電壓信號的條件下，實現(xiàn)了酵母菌細(xì)胞沿“臺階”形電極邊緣直線排列。關(guān)鍵詞介電泳； 微流控芯片； 有限元仿真； 細(xì)胞排列

1引言

近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical system， MEMS）技術(shù)的發(fā)展，微流控芯片實驗室（Labonachip）得到了前所未有的發(fā)展。在生物醫(yī)學(xué)工程和組織工程中，以細(xì)胞或組織為對象的微操作技術(shù)對腫瘤細(xì)胞療法、體外器官組織培養(yǎng)、新藥的研發(fā)等研究具有至關(guān)重要的作用＼[1，2＼]。介電泳（Dielectrophoresis， DEP）以非接觸、可批量并行操作的優(yōu)勢被廣泛的應(yīng)用到生物粒子操作中，例如細(xì)胞的富集分離、篩選、旋轉(zhuǎn)、拉伸等操作。Doh等＼[3＼]設(shè)計了一種細(xì)胞分離介電泳芯片，通過施加間歇性的交流信號，實現(xiàn)了酵母菌細(xì)胞的連續(xù)分離； Han等＼[4＼]利用電壓信號相位差為90°的四電極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)，并通過細(xì)胞電旋轉(zhuǎn)測量了細(xì)胞的膜電容和膜電導(dǎo)； Guido等＼[5＼]利用兩個平行的微電極產(chǎn)生的介電泳力拉伸Jurkat細(xì)胞，測定了該細(xì)胞的力學(xué)性能。目前細(xì)胞組裝排列的方法主要有表面黏附＼[6＼]、微捕獲井陣列＼[7＼]、光鑷＼[8＼]等。但是表面黏附和微捕獲井陣列的加工工藝較為復(fù)雜，并且容易損傷細(xì)胞； 光鑷適用于單個或幾個細(xì)胞的高精度操作，難以實現(xiàn)大批量的并行操作； 介電泳則可以實現(xiàn)對批量細(xì)胞非接觸并行操作。本研究以細(xì)胞排列為應(yīng)用，依據(jù)微粒子介電泳操作原理，設(shè)計一種“臺階”形的電極結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用COMSOL Mutiphysics有限元仿真軟件分析電場分布，通過施加不同頻率的交流信號，確定酵母菌細(xì)胞的正、負(fù)介電泳頻率，并利用酵母菌正介電泳運(yùn)動，使細(xì)胞沿“臺階”呈直線排列。