用于细胞排列的介电泳微流控芯片制备与实验研究

张洋　张晓飞　白国花　方明　谭秋林　熊继军　孙东

摘要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60 μS/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 Vpp，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。关键词介电泳； 微流控芯片； 有限元仿真； 细胞排列

1引言

近年来，随着微机电系统（Microelectromechanical system， MEMS）技术的发展，微流控芯片实验室（Labonachip）得到了前所未有的发展。在生物医学工程和组织工程中，以细胞或组织为对象的微操作技术对肿瘤细胞疗法、体外器官组织培养、新药的研发等研究具有至关重要的作用＼[1，2＼]。介电泳（Dielectrophoresis， DEP）以非接触、可批量并行操作的优势被广泛的应用到生物粒子操作中，例如细胞的富集分离、筛选、旋转、拉伸等操作。Doh等＼[3＼]设计了一种细胞分离介电泳芯片，通过施加间歇性的交流信号，实现了酵母菌细胞的连续分离； Han等＼[4＼]利用电压信号相位差为90°的四电极结构实现了细胞的旋转，并通过细胞电旋转测量了细胞的膜电容和膜电导； Guido等＼[5＼]利用两个平行的微电极产生的介电泳力拉伸Jurkat细胞，测定了该细胞的力学性能。目前细胞组装排列的方法主要有表面黏附＼[6＼]、微捕获井阵列＼[7＼]、光镊＼[8＼]等。但是表面黏附和微捕获井阵列的加工工艺较为复杂，并且容易损伤细胞； 光镊适用于单个或几个细胞的高精度操作，难以实现大批量的并行操作； 介电泳则可以实现对批量细胞非接触并行操作。本研究以细胞排列为应用，依据微粒子介电泳操作原理，设计一种“台阶”形的电极结构，并运用COMSOL Mutiphysics有限元仿真软件分析电场分布，通过施加不同频率的交流信号，确定酵母菌细胞的正、负介电泳频率，并利用酵母菌正介电泳运动，使细胞沿“台阶”呈直线排列。

摘要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60 μS/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 Vpp，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。关键词介电泳； 微流控芯片； 有限元仿真； 细胞排列

1引言

近年来，随着微机电系统（Microelectromechanical system， MEMS）技术的发展，微流控芯片实验室（Labonachip）得到了前所未有的发展。在生物医学工程和组织工程中，以细胞或组织为对象的微操作技术对肿瘤细胞疗法、体外器官组织培养、新药的研发等研究具有至关重要的作用＼[1，2＼]。介电泳（Dielectrophoresis， DEP）以非接触、可批量并行操作的优势被广泛的应用到生物粒子操作中，例如细胞的富集分离、筛选、旋转、拉伸等操作。Doh等＼[3＼]设计了一种细胞分离介电泳芯片，通过施加间歇性的交流信号，实现了酵母菌细胞的连续分离； Han等＼[4＼]利用电压信号相位差为90°的四电极结构实现了细胞的旋转，并通过细胞电旋转测量了细胞的膜电容和膜电导； Guido等＼[5＼]利用两个平行的微电极产生的介电泳力拉伸Jurkat细胞，测定了该细胞的力学性能。目前细胞组装排列的方法主要有表面黏附＼[6＼]、微捕获井阵列＼[7＼]、光镊＼[8＼]等。但是表面黏附和微捕获井阵列的加工工艺较为复杂，并且容易损伤细胞； 光镊适用于单个或几个细胞的高精度操作，难以实现大批量的并行操作； 介电泳则可以实现对批量细胞非接触并行操作。本研究以细胞排列为应用，依据微粒子介电泳操作原理，设计一种“台阶”形的电极结构，并运用COMSOL Mutiphysics有限元仿真软件分析电场分布，通过施加不同频率的交流信号，确定酵母菌细胞的正、负介电泳频率，并利用酵母菌正介电泳运动，使细胞沿“台阶”呈直线排列。

摘要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60 μS/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 Vpp，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。关键词介电泳； 微流控芯片； 有限元仿真； 细胞排列

1引言

近年来，随着微机电系统（Microelectromechanical system， MEMS）技术的发展，微流控芯片实验室（Labonachip）得到了前所未有的发展。在生物医学工程和组织工程中，以细胞或组织为对象的微操作技术对肿瘤细胞疗法、体外器官组织培养、新药的研发等研究具有至关重要的作用＼[1，2＼]。介电泳（Dielectrophoresis， DEP）以非接触、可批量并行操作的优势被广泛的应用到生物粒子操作中，例如细胞的富集分离、筛选、旋转、拉伸等操作。Doh等＼[3＼]设计了一种细胞分离介电泳芯片，通过施加间歇性的交流信号，实现了酵母菌细胞的连续分离； Han等＼[4＼]利用电压信号相位差为90°的四电极结构实现了细胞的旋转，并通过细胞电旋转测量了细胞的膜电容和膜电导； Guido等＼[5＼]利用两个平行的微电极产生的介电泳力拉伸Jurkat细胞，测定了该细胞的力学性能。目前细胞组装排列的方法主要有表面黏附＼[6＼]、微捕获井阵列＼[7＼]、光镊＼[8＼]等。但是表面黏附和微捕获井阵列的加工工艺较为复杂，并且容易损伤细胞； 光镊适用于单个或几个细胞的高精度操作，难以实现大批量的并行操作； 介电泳则可以实现对批量细胞非接触并行操作。本研究以细胞排列为应用，依据微粒子介电泳操作原理，设计一种“台阶”形的电极结构，并运用COMSOL Mutiphysics有限元仿真软件分析电场分布，通过施加不同频率的交流信号，确定酵母菌细胞的正、负介电泳频率，并利用酵母菌正介电泳运动，使细胞沿“台阶”呈直线排列。