基于聚酰亚胺基底的细胞电融合芯片的研制

基于柔性印刷电路板(flexible printed circuits board, FPCB)技术,通过在聚酰亚胺基底薄膜表面层压的铜箔上刻蚀微电极阵列结构制备了一种细胞电融合芯片.在低电压(≤40 V)条件下实现了细胞电融合,融合效率达37%,远高于聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)法及传统细胞电融合方法.与传统细胞电融合系统相比,此芯片可在低电压条件下工作,具有结构简单、成本低廉、实验过程可观察、融合通量高等优点.另外,聚酰亚胺薄膜基底良好的柔软度可保证此芯片与其它分析模块(如细胞筛选分离模块)的有效集成,具备构造微全分析系统(micro total analytical system, μ-TAS)的巨大潜力.     

微电极阵列芯片的脂质体电融合研究

利用旋转蒸发法制作基于大豆卵磷脂的一种大型脂质体,在微电极阵列芯片上进行脂质体电融合实验研究.在电融合过程中,利用介电电泳力实现脂质体在微流控芯片中的排队,再利用高场强的电脉冲使脂质体膜发生可逆性电穿孔,在持续的介电电泳力作用下,使穿孔的脂质体实现融合.芯片上脂质体的融合率可以达到20％左右.而且,玻璃基底材料和低深宽比的通道结构更有利于脂质体融合过程的观察与控制.     

细胞电融合芯片技术的发展及展望

细胞电融合芯片技术是最近十几年来发展迅速的一种细胞融合方法,它可以广泛用于遗传学、动植物远缘杂交育种、发育生物学、免疫学、医药、食品以及农业等领域的基础研究和应用开发。由于其不仅具有可控性强、操作简便、对细胞无毒害等优点,还比传统细胞电融合技术更安全、快捷、高效、便携、集成度高,而且便于实验观察,样本消耗少,因此,在国内外广受关注。本文综述了细胞电融合芯片技术的基本原理、实现方法、研究进展,并对其未来发展作了展望。     

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。     

介电电泳芯片及其在细胞分析中的应用

简要阐述了在交流和直流电压电场中,介电电泳(DEP)芯片进行细胞分离富集的机理.按照驱动电场的差异对DEP芯片进行了分类,分析和比较了DEP芯片微电极的叉指电极、抛物线电极、堡式电极、三维电极等典型结构.特别对近年来DEP芯片在单细胞分析、细胞分离与富集以及临床细胞分析中的应用进展进行了综述,并对其应用前景和发展方向进行了展望.     

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.     

阵列叉指式芯片研究细胞介电电泳富集过程

采用阵列叉指电极介电电泳(Dielectrophoresis,DEP)芯片,构建了集成DEP芯片分析和操控系统,应用Coventorware有限元分析软件模拟分析了芯片表面的电场分布情况;以红细胞和结肠癌细胞样品为分析对象,实现了两种细胞样品在芯片上的正负介电电泳定位富集.实验发现,交流信号幅值Vp-p是决定DEP富集效率的主因,交流信号频率f和缓冲溶液是改变细胞介电电泳类型的参量;在0.9% NaCl中,施加频率为10和3 MHz、电压5 V的交流频率,结肠癌细胞的正介电电泳(Positive-dielectrophoresis, pDEP)和负介电电泳(Nagetive-dielectrophoresis, nDEP)富集效率分别为87.2%和84.8%.     

阵列式对电极介电电泳芯片及其用于细胞分离富集研究

基于介电电泳原理, 设计并制作了一种新型的能够用于细胞分离和富集的微流控介电电泳芯片. 该芯片由沉积有金电极的石英基片和带有微管道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)盖片组成. 通过在管道底部布置间距不同的对电极阵列, 增大了正介电电泳力在管道中的有效作用范围, 能够在降低施加电压的同时, 实现对流动体系中细胞样品的捕获. 在3 V和3 MHz条件下, 该DEP芯片对人血红细胞的捕获效率达到83%; 进一步通过将肝癌细胞捕获在芯片电极上可实现对红细胞和肝癌细胞混合样品的分离, 在5 V和400 kHz条件下对肝癌细胞的捕获效率达到86%.     

基于介电电泳的微流控细胞分离芯片的研究进展

细胞分离技术是细胞分选和细胞种群纯化的重要手段,在生物、医学、农业、环境等许多领域都有重要的应用,是当前生化分析领域的国际研究热点。本文介绍了基于介电电泳的微流控细胞分离芯片的研究现状,阐述了介电电泳的工作原理,并依据细胞尺寸、电极形状、外加信号方式等影响细胞介电电泳的关键因素对不同类型的微流控细胞分离芯片进行了详细介绍,并对该技术的未来发展趋势做了展望。     

用于细胞排列的介电泳微流控芯片制备与实验研究

设计并制作了一种应用于细胞排列的介电泳微流控芯片,以实现细胞的非接触、批量排列。芯片主要包括PDMS微通道和“台阶”形ITO微电极。运用仿真软件COMSOL分析了微电极所形成的电场分布,确定了最大电场强度的位置;利用MEMS加工工艺制备了ITO微电极和PDMS微通道,PDMS微通道与带有ITO电极的载玻片经过氧等离子表面处理后,对准键合获得最终的微流控芯片。通过不同频率下的介电泳实验,实现了酵母菌细胞的介电泳运动,并确定了正、负介电泳运动的电场频率。结果表明,酵母菌细胞在溶液电导率为60μS/cm的环境下,1~10 kHz时,发生负介电泳运动;0.5~10 MHz时,发生正介电泳运动;50 kHz时,没有发生介电泳运动。并在施加8 Vp-p,5 MHz交流电压信号的条件下,实现了酵母菌细胞沿“台阶”形电极边缘直线排列。     

Low‐Voltage Pulsed Electric Field Sterilization on a Microfluidic Chip

A polyimide substrate based microfluidic chip with thousands of comb‐shaped microelectrodes has been designed, fabricated, and tested for sterilization of bacteria by using pulsed electric field. The performance of bacteria sterilization as functions of the electric field strength, pulse number and width, treatment buffer, bacteria growth status, and bacteria enrichment by positive dielectrophoresis has been experimentally investigated on the microfluidic chip. Experimental results show that only 100 V are sufficient to obtain good sterilization of Escherichia coli. Higher electric field strength, bacteria enrichment by positive dielectrophoresis, longer pulse time, buffer with fewer components and nutritions, and suitable bacteria growth status also improve the sterilization of bacteria. In addition, configuration of the microelectrode array affects bacteria sterilization. This microfluidic device allows one to preconcentrate bacteria to a region with high electric field strength by using positive dielectrophoresis, and subsequently kill the enriched bacteria by applying a pulsed electric field through the same microelectrode array.     

Dielectrophoretic fluidic cell fractionation system

This paper presents the development and experimental verification of a DEP fluidic system capable of fractionation of intact biological cells in suspension into purer subpopulations. This was accomplished by employing a specially shaped nonuniform electric field, synthesized by microfabricated planar microelectrode arrays, housed on an insulating glass substrate. To improve the efficiency of cell sorting, the microelectrodes are individually biased by a variable frequency alternating current (ac) voltage source, which allows us to exploit both positive and negative dielectrophoresis (DEP) to affect cell separation. Furthermore, through suitable establishment of a cell stream supported by sheath flow, such fractionation is achieved in a continuous fashion. The proposed DEP fluidic fractionation may be configured to operate in three (3) different modes. In this work, however, a detailed account is only presented for one mode of operation. The simulation of the electric field and force profiles, together with the experimental results obtained on model cells (plant protoplasts), confirm our theoretical predictions and furthermore demonstrate improvements in both separation efficiency and throughput over a wide range of frequencies (10 Hz to 5 kHz).     

一种用于多巴胺实时检测的集成微电极的微流控芯片

设计并制作了一种用于多巴胺实时检测的集成微电极的微流控芯片。芯片由一片聚二甲基硅氧烷( PDMS)沟道片和一片玻璃电极片组成,在PDMS沟道片上集成了用作细胞培养室的主通道和用于培养基输送的两条侧通道,在玻璃电极片上集成了用于多巴胺实时检测的微电极。为了解决PDMS沟道片与硅模具之间的脱模困难问题,研究了一种新的脱模方法。建立了一种Au-Au-Au三电极体系,表现出了良好的电化学检测性能。以溶解在神经干细胞培养基中的多巴胺为测试样品,对芯片的性能进行了初步研究。多巴胺的检出限为3.92μmol/L,线性检测范围为10~500μmol/L,片间的检测重复精度小于4%。     

DNA芯片技术与脱氧核糖核酸序列分析

人类基因组计划的实施,有力地促进了ＤＮＡ序列分析技术的发展。ＤＮＡ芯片综合运用了固相合成化学、照相平版印制技术以及激光共聚焦扫描等技术,能够同时扫描分析多基因乃至基因组,可广泛应用于基因的多态性分析、基因定位、表达水平的监测以及遗传病的诊断等领域,是对传统的ＤＮＡ分析技术的一次重大突破。本文介绍了ＤＮＡ芯片技术的基本原理并对其应用作一简要综述。     

细胞芯片分析概念与技术发展

分子层次的分析问题已被广泛研究,虽然还有很多问题需要继续突破,但已经能够解决诸如基因组全序测定这样的重大科学课题.与此不同,细胞层次的分析研究却进展缓慢,而且主要集中于生物界.     

微流控芯片单细胞进样和溶膜

单细胞分析对重大疾病的早期诊断、治疗和药物筛选以及细胞生理、病理过程的研究有重要意义.将毛细管电泳用于单细胞多组分的测定已取得一些成果,但受毛细管的一维结构限制,单细胞进样和溶膜操作较复杂.微流控分析芯片的网络结构和微米级的通道尺寸使简化单细胞分析成为可能.