基于无线双极性电极阵列的大规模单细胞捕获机理及实验研究

Cells are the basic units of life, the study of their functions and behaviors is the precondition of revealing the origin of human life and solving the major diseases. The present cell studies are usually based on bulk analysis of large numbers of cells, which will inevitably lose some significant behavioral information of single cells. Thus, the large-scale capture of single cells is of great significance for analyzing the important microcellular information. This project is to propose a new method to achieve large-scale capture of single cells and ensure the original characteristics of cells by combining bipolar electrochemistry and negative Dieletrophoresis (nDEP). Herein, the mechanical behavior of cells and particles is studied on the surface of bipolar electrode array. The key parameters are analyzed to achieve the capture mechanism and a computational model is proposed for engineering applications. Thus, the project aims to develop a low cost and integrated microfluidic system to realize large-scale sing cell trapping, reagent exchange, continuous nutrient supply and long term cultivation, showing great potential in academic settings and clinical applications.

细胞是生命活动的基本单元，对其功能与行为的研究是揭示人类生命起源乃至解决重大疾病的前提。当前，细胞研究通常基于群体性的大量培养，而该过程则会丢失某些单个重要细胞的行为信息。为此，开展单细胞的大规模捕获研究，对于提高重要且微量细胞信息的捕捉具有重要意义。本项目旨在利用微尺度无线双极性电极阵列诱导的负介电泳微流控芯片系统，提出一种实现单细胞大规模捕获且能保证细胞原有特性的新方法。研究细胞及粒子在微尺度双极性电极阵列诱导的负介电泳环境中的力学行为及运动规律，分析其主要影响因素，揭示其捕获机理，探索各主要参数之间的内在联系，给出具有工程应用指导意义的计算模型。通过本项目的研究，以期实现高效大规模的细胞及粒子捕获功能，并开发进行细胞培养和分析的微流控芯片系统，为进一步工程应用提供理论依据与技术支撑。

近年来，全球性大规模传染性疾病严重威胁着人们的生命财产安全。细胞是人体功能的最基本的单位，细胞的研究能提供更多的线索用于研究器官的发育，以及人体疾病的发病机制和治疗方法。因此对于单细胞的大规模捕获研究已成为理解生物活动以及疾病发生的主要内容之一。.该课题阐述了微流控芯片上利用微尺度无线双极性电极阵列诱导的负介电泳大规模捕获单细胞的机理，仿真模型耦合了温度场、电场、流场等多物理场，研究了流场参数、电场参数，芯片尺寸等对细胞分选与捕获效率的影响规律。该课题通过双极性电化学与负介电泳相结合，针对聚苯乙烯微球、酵母细胞、微藻细胞等多种微颗粒或细胞，利用双极性电极进行了高效率的分离与捕获。结合仿真与实验结果，分析了双极性电极阵列上实现对单个细胞或颗粒捕获和操纵的机制，实验研究了正负介电泳、不同电极倾角、不同流速条件下颗粒的运动情况，结果表明最佳角度45°倾角的电极在正介电泳力（pDEP）下颗粒会向通道下方移动，负介电泳力（nDEP）下会向通道上方移动。本课题给出了基于双极性电极诱导的负介电泳大规模捕获单细胞的机理研究两种生物细胞分离捕获的实验研究，在流速为28.8μL/h的条件下，酵母细胞从与聚苯乙烯颗粒的混合物中成功分离，并且纯度大于96%。小球藻细胞和卵囊藻细胞分别从混合水藻细胞中分离捕获，并且实现了不同核数卵囊藻细胞的分离捕获，使得其中丰富的油脂被提取，缓解了资源紧张问题。为了实现单细胞被捕获之后的药物混合与运输，代谢产物运送以及长期培养，本课题还开发了基于交流电热的微混合器混合系统。总的来说，该技术能够实现特定细胞的高效捕获与长期培养，为细胞分析、培养及药物筛选提供理论基础与技术支持。.申请人及团队共发表SCI学术论文30篇，影响因子5.0以上26篇。授权发明专利1项。