基于薄膜电极的细胞电融合芯片

构建了一种薄膜电极阵列结构的细胞电融合芯片, 通过多聚物微通道底/顶层凸齿状的微电极, 以及多聚物微通道侧壁上溅射形成的一层离散式金属薄膜电极, 共同形成离散式"三明治"微电极结构. 该微电极结构可在微通道内部形成与传统凸齿状电极相似的非均匀分布的梯度电场, 通过介电电泳效应进行细胞控制及排队. 利用多聚物在芯片上填充了传统凸齿状电极的凹陷区, 克服了细胞在凹陷区无法有效排队与融合的缺点. 在芯片上利用K562细胞开展了基于介电电泳效应的细胞排队实验及基于可逆性电穿孔效应的电融合实验, 结果表明该芯片能够较好地实现细胞排队及融合, 融合所需控制电压低至10 V左右. 细胞排队率达99%以上, 几乎无细胞在绝缘物填充区(传统凸齿电极芯片的凹陷区)滞留, 细胞两两排队高于60%, 细胞融合效率约为40%, 比传统的细胞电融合方法和凸齿电极芯片有较大提高.     

基于SOI基底的高通量细胞电融合芯片

提出了一种以MEMS技术为基础, 可在低电压驱动条件下工作的创新型细胞电融合芯片. 该芯片的设计原理在于通过缩短微电极间的间距, 在低电压条件下获得足够强度的排队和融合电场强度. 原型芯片以SOI硅片为加工材料, 通过刻蚀方式在顶层低阻硅形成微电极和微通道; 在微电极上沉淀2 μm厚的铝膜以降低电阻率, 提高导电性; 通过PECVD方法形成150 nm厚SiO2保障铝膜的抗腐蚀性及芯片生物相容性; 芯片最终采用DIP法进行封装. 在该芯片上进行了低电压(传统电融合设备工作电压的1/20)驱动条件下的基于介电电泳的细胞排队实验及后期的细胞电融合实验, 结果表明, 细胞多以两两结合的方式排列, 与传统的细胞融合电仪器相比较, 降低了多细胞排队概率, 进而减少了传统电融合设备多细胞融合的概率, 为细胞高效率融合奠定了基础. 在加载的低电压短脉冲信号后, 微通道中形成了高压短脉冲电场, 在脉冲作用下, 烟草原生质体细胞在微通道中发生了融合, 融合时间(2 min)远低于传统电融合方法(10~30 min), 融合率远远高于传统的PEG方法(融合率小于1%)和传统电融合方法(利用BTX ECM 2001细胞电融合系统得到, 融合率小于5%).     

高效细胞电融合芯片中的电场分析

细胞电融合芯片内的电场分布对细胞的控制及细胞融合效率有非常重要的意义,它是该类芯片设计的主要因素。电场分布主要由芯片内微通道和微电极的结构决定。在一个新研制的融合芯片中,采用大量微电极构成的阵列来提高融合效率。由于电极数量很多,微通道和微电极的结构和形状复杂,理论计算芯片内部电场分布具有较大难度。利用ANSYS有限元分析软件,对细胞电融合芯片中的电场分布进行模拟分析,得到其强度分布及变化梯度。通过不同设计的对比分析,提出了更加适合于细胞电融合的电极阵列结构模型——矩形梳状交叉微电极阵列,为高效细胞电融合芯片的实现奠定了基础。在矩形梳状交叉微电极阵列原型芯片的实验研究中,细胞融合(植物原生质体融合)效率约为40%,超过了传统的化学融合(小于1%)、电融合(小于10%),以及最初所采用的矩形对称梳状电极(小于20%)。表明在该融合芯片上可以实现高效的细胞电融合。