基于电阱吸持力分馏的细胞凋亡电学表征研究

本项目以微粒的交流电场分离为基础，提出一种基于电阱吸持力分馏的新方法，并引入肿瘤细胞凋亡的电学表征研究中。旨在研究出能特异地感应不同时期凋亡细胞形态变化，并将其转化为电量输出的微流控芯片。项目首先研究细胞的形态特性并建立电场极化模型，探索利用电阱吸持力进行细胞分选的力学模型及其作用机理；在此基础上研究细胞凋亡分期筛选芯片的结构设计和微流体运动规律，进而研究凋亡细胞基于形态变化的分期筛选等难点问题，最后研究将细胞信息转化为电信号的方法。本项目的研究将发展一种对不同时期凋亡细胞的电甄别手段，实现对细胞形态变化高度敏感的特异性筛选，有望推动药物诱导凋亡研究的更大进展，成为肿瘤临床治疗评估的有力手段，具有重要的科学意义和社会价值。

介电泳微流控体芯片是BioMEMS研究的热点之一，其研究涉及多学科的交叉。本项目首先提出了一种基于渐进展开的半解析方法完成微流体的多物理场计算，此方法适用于介电泳最常用的周期性边界条件。算法纠正了经典理论在边界条件上的过度化简，提高了仿真精度，并通过待定系数向量的运算降低了计算复杂度。在叉指电极的电场仿真运算中，又将该理论进一步完善，建立了三维模型。在该模型的框架下，结合低阶双曲耦合的办法化简复杂运算，求解出影响介电泳运动的主要因素，形成了一个比较完整的理论方法，为芯片的设计和优化奠定了基础。.然后基于微流体理论，对介电泳生物芯片的电场/温度场进行了分析，计算了包括电渗流、电热流、外源受热、自然对流、布朗运动引起的速率场扰动，分析了电解和沸腾的临界条件。研究了各种因素在总速率场中所占的比重随外加电场的幅度、频率和被操纵颗粒性状的影响，并根据各类效应产生的速率模拟结果，绘制了速率图谱。考察了关键参量单独变化时对总速率场造成的影响，总结了介电泳芯片设计时的参数选取原则。最后，基于参数优化法则，研制了一系列性能优良的新型介电泳芯片。.通过建立细胞的力学和电学两种模型，展开了细胞在芯片中的力学分析和阻抗谱的讨论。通过分析从正常细胞癌变成为恶性肿瘤细胞再诱导成为凋亡细胞的过程中，细胞体积、细胞膜面积和平整度以及部分离子在跨膜运输中的转运的变化，研究了在这一生物医学变化中的细胞电学参数的变化。开展了集成介电泳操纵与阻抗谱识别的三维生物传感器的研究，依据微流体仿真结果得到的尺度效应规律，设计了系统参数优化的验证实验，研制了包括平行、叉指、螺旋等结构的介电泳阵列芯片，通过对不同直径的乳胶微球进行分选，验证了理论设计的合理性。综合了介电泳力和微流场的作用效果，实现了对不同尺度微粒的特异性分离，分离效率达93%以上；用等效电路法从阻抗测试数据中提取特征参数后，表征了微粒的浓度。开展了分析检测实验，以半径比约为1:2的乳胶微粒模拟与其有相似半径比的正常细胞和肿瘤细胞，以正常白细胞与其凋亡细胞模拟肿瘤细胞与其凋亡细胞。实验结果表明，芯片可对血液循环系统中微转移的肿瘤细胞或白血病细胞进行介电泳分离与阻抗谱识别，并可对凋亡诱导前后的白血病细胞进行阻抗谱识别，设计的传感器均有良好的重复性，阻抗谱测试分辨率高。