基于微流控芯片的循环肿瘤细胞检测系统研究

目的实现人体外周血液中循环肿瘤细胞(circulating tumor cells,CTCs)的高通量、高检出率的分选富集与检测,为癌症患者提供高效、精准的早期筛查。方法设计一款分选富集与检测集成化的微流控芯片,采用荧光检测系统进行单细胞水平的CTCs检测,得到样本中的CTCs数量。结果使用裂解红细胞后的外周血液样本进行6次实验,在进样速度达到0.2 mL/h时,CTCs能够达到78.6%的最佳检测率,组内相关系数达到0.8以上。结论CTCs检测系统能够实现较高的检出率并具有良好的可靠性,可以为相关领域的临床研究提供可靠的参考。

流式细胞分选仪研究进展与展望

流式细胞技术一直是生物细胞研究的重要手段,近年来流式细胞分选仪在细胞富集、筛选后再利用等方面的应用使得对能够满足高通量、高细胞信息提取、高细胞活性要求的流式细胞分选仪的需求增加。本文阐述基于光学探测方法的流式细胞分选仪结构、工作原理及其发展现状出发;提出在光学流式细胞分选仪研究领域出现无标记化和微流控芯片化两种新的发展趋势。在两种发展趋势下,无标记成像方法、微流控片上分选系统和片上压电致动器集成分选等新兴技术越来越多地应用到光学流式细胞分选仪的研发设计中,本文从技术特性、性能优势、应用前景等方面对这些技术的研究进展以及面临的挑战进行了总结和展望,供流式细胞分选技术的使用者及研究者参考。

分离富集循环肿瘤细胞的三维介电泳微流控芯片研究

进入人体外周血的肿瘤细胞称为循环肿瘤细胞(CTCs),它是恶性肿瘤转移早期精准检测重要指标之一。基于介电泳原理进行了分离富集CTCs微流控芯片设计及性能研究,利用CTCs和白细胞受到的介电泳力差异及运动轨迹不同,实现CTCs分离富集。根据COMSOL软件仿真细胞运动轨迹,优化芯片结构,确定电极间距和通道高度。湿法刻蚀和激光烧蚀技术制作了芯片实物,以人结肠癌细胞SW480和人白细胞混合液为研究对象,进行了芯片分离富集CTCs实验。在电压为5 Vrms、频率为60 kHz时,三维介电泳微流控芯片对人结肠癌细胞SW480的最大分离通量达到1.2 mL/h,分离效率在90%左右。研究成果对于CTCs分离、分选以及检测等方面具有重要参考价值。

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。

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2μm厚的铝膜以降低电阻率,提高导电性;通过PECVD方法形成150nm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(2min)远低于传统电融合方法(10～30min),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%).

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,1-10kHz时,发生负介电泳运动；0.5-10MHz时,发生正介电泳运动；50kHz时,没有发生介电泳运动。并在施加8Vp-p,5MHz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。

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。

基于介电泳原理的三明治式微流控芯片

根据介电泳的工作原理,利用粒子介电性质的不同设计了基于双层微电极结构的芯片模型,实现了介电性质不同的粒子的断续分离。采用COMSOL软件仿真并分析了芯片内部的电场强度和介电泳力的分布;对比二维微流控芯片和三明治式微流控芯片,发现三明治式微流控芯片可以克服电场强度在通道高度方向上的衰减。用三明治式微流控芯片进行粒子的断续分离,与二维微流控芯片进行实验对比,结果显示,在酵母菌细胞与聚苯乙烯小球的断续分离实验中,三明治式微流控芯片的分离效率为95.2%,比二维微流控芯片的分离效果好、分离效率高。

芯片上叉指电极介电电泳的模拟与实验研究

分析了影响常规介电电泳过程中粒子所受介电电泳力的因素和发生正、负向介电电泳的条件。经过合理的简化和假设,建立了一个芯片微通道中常规介电电泳的二维数学模型。数值计算结果给出了微通道中的电势和电场强度分布,并根据场强分布预测了粒子发生正向介电电泳时最容易被吸附的位置。利用微加工工艺,在硼硅酸(Pyrex)玻璃表面沉积了叉指型结构的复合金属电极,并用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作了具有微通道的盖片,两者键合形成芯片。以溶解有聚苯乙烯(polystyrene,PS)粒子的KCl溶液为操作悬浮溶液进行了粒子正向介电电泳实验,实验结果与理论分析具有较好的吻合。

基于微流控芯片的乳腺癌肿瘤干细胞富集

为了克服传统方法低通量、低精度、低控制性和低效率的缺点,提出一种基于微流控技术研究肿瘤干细胞。基于二甲基硅氧烷,设计三层结构微流控芯片,结构包括细胞及培养液注入层、中间悬浮培养层和废液处理层。采用真空等离子氧化处理完成对准键合。芯片实验结果证明了微流控芯片的可行性和有效性。

介电电泳细胞分析芯片结构设计及富集效率优化

为了研制高富集效率的介电电泳细胞分析芯片,首先从介电电泳力出发,推导了悬浮细胞所受的介电电泳力公式。通过对比常规微电极的电场强度分布,选择叉指式阵列微电极构建介电电泳芯片;通过模拟不同结构参数下微通道中的电场分布对芯片结构参数进行优化设计。针对Hep G2肝癌细胞,分别分析了细胞受介电电泳力、流体力以及重力作用下的运动情况,获得了Hep G2肝癌细胞富集的初步优化条件。为了对模拟结果进行验证,采用微加工技术制作了介电电泳细胞分析芯片。以Hep G2肝癌细胞为待测样品,当芯片所施加正弦交流电压为5 V,频率为4 MHz时,获得了88.89%的富集效率。

基于微流控芯片的癌细胞机械特性

许多研究表明细胞机械特性和细胞功能的变化密切相关。提出一种基于介电泳(DEP)原理的快速有效的检测细胞生物力学特性变化的方法。NB4细胞(属于白血病细胞株)作为样品细胞,其细胞生理状态的改变借助化疗药物阿霉素(DOX)实现。NB4-DOX细胞由浓度为0.05μmol/L的DOX对NB4细胞药物作用96 h得到。一个具有平行电极的微流控芯片被用来拉伸NB4和NB4-DOX细胞,并对它们的变形能力进行比较。分析对比6V_(p-p)(峰峰值)电压下,3 min时两种细胞的平均弹性力学参数。发现药物处理后的NB4细胞的平均应变量由加药前的0.11变为0.07,杨氏模量由211.8 Pa变为332.9 Pa,剪切弹性模量由83.4 Pa变为121.5 Pa。实验结果表明,NB4细胞在0.05μmol/L的DOX96 h的药物处理下,细胞硬度明显增加。

介电电泳细胞分析芯片结构设计及实验研究

为了研制高富集效率的介电电泳细胞分析芯片,首先从介电电泳力出发,推导了悬浮细胞所受的介电电泳力公式.通过对比常规微电极的电场强度,选择叉指式阵列微电极构建介电电泳芯片模型,对不同结构参数下微通道中的电场分布进行模拟,由此对芯片结构参数进行优化设计.为了对模拟结果进行验证,采用微加工技术制作了介电电泳细胞分析芯片.以HepG2肝癌细胞为待测样品,当芯片所施加正弦交流电压为5V,频率为4MHz时,获得了88.89%的富集效率.

全金属微电极阵列细胞电融合芯片的研制

研制了以硅为基底、金属铜(Cu)材料作为微电极的细胞电融合芯片。在500μm厚的硅基底上应用离子刻蚀技术,刻蚀出与所需得到的微电极相同形状的槽,然后高温下使硅片表层形成二氧化硅绝缘层,在刻蚀槽的底部形成种子层(Ta/Cu材料),通过电镀在槽中形成金属微电极,应用湿法刻蚀去除表层硅,得到纯金属微电极。铜金属微电极其导电率高,减小了电压衰减,使细胞电融合芯片中电场分布一致性好。该方法利用刻蚀的硅模具和电镀工艺解决了lift-off制造的金属微电极较薄的难题,分别采用热氧化和等离子增强化学气相淀积(PECVD)工艺制作的二氧化硅薄膜也增强了芯片抗腐蚀能力。在利用黄瓜叶肉细胞的细胞排队和融合实验中,实验效果比现有硅微阵列芯片要好。

利用介电电泳提高微流控芯片细胞捕获纯度

将介电电泳(DEP)效应与生物分子亲和性捕获结合,利用负向介电电泳力克服细胞捕获过程中没有识别能力的非特异性吸附力的方法,减小非靶细胞吸附,提高捕获纯度。根据介电电泳原理,设计并制备了插齿电极结构的细胞捕获微流控芯片,电极宽度为10μm、电极间距为40μm,通过单株细胞样品捕获的实验优化了施加于电极上的交流电参数,并将峰峰值电压为5 V、频率为20 kHz的交流电用于混合细胞株样品的分离及捕获实验中,以验证介电电泳提高捕获纯度的效果。实验结果表明:靶细胞HCT-116细胞的捕获纯度可从60.2%±5.01%提高到94.7%±2.77%,介电电泳能够提高以生物分子亲和性为基础的微流控芯片的细胞捕获纯度。

基于微环形阵列电极的细胞分离富集芯片的设计与实验研究

根据介电泳操作原理,设计了微环形阵列电极结构,建立了细胞分离富集芯片模型,采用COMSOL软件分析微环形阵列电极的电场分布和介电泳力方向并确定了最大和最小电场强度的位置,利用ITO玻璃和PDMS制备了细胞分离富集芯片。通过酵母菌细胞的介电泳富集实验和酵母菌细胞与聚苯乙烯小球的分离富集实验,明确了酵母菌细胞的临界频率,实现了酵母菌细胞和聚苯乙烯小球的分离富集。结果显示,在溶液电导率为60μs/cm,交流信号电压为8 Vp-p时,酵母菌细胞在1 k Hz^45 k Hz频率范围内做负介电泳运动并富集在环形内部,45 k Hz为酵母菌细胞的临界频率,在45 k Hz^10 MHz频率范围内做正介电泳运动并富集在环形边缘;1.5 MHz时聚苯乙烯小球做负介电泳运动并富集在环形内部,富集倍数达到11.66。

多电极阵列微流控芯片内细胞介电泳运动分析

研究了多电极阵列微流控芯片内不同细胞在介电泳力下的运动特征,对外部形态相同而内部组蛋白不同的两种细胞进行了分离。多电极阵列微流控芯片在流道的5个正方形横截面嵌入电极阵列,每个横截面的一组对边嵌入8根电极,此结构扩大了微流道的尺寸,可以实现细胞在介电泳力的作用下高流量分离。为了研究微流控芯片内细胞运动特征,首先通过电场数值分析,对一个横截面内多电极电场分布进行了计算,得到了最佳电极组合方式,使得电场分布均匀,且介电泳力最大。之后,通过实验分析了在不同频率、多电极复杂电场下,外部形态相同而内部组蛋白不同的人肺部成纤维细胞MRC-5的运动特点。通过对介电泳力的波谱进行分析,得到了野生型(WT)和组蛋白-GFP型(GFP-HT)两种细胞的分离频率为f=30 kHz。最后,在两个入口处通入不同比例的蔗糖(Sucrose)溶液与两种细胞混合液,计算了细胞的分离率。当两个入口的流量比为12∶1时,两种细胞的分离率可以达到93.5%。本研究提出的多电极阵列微流控芯片分离细胞的方法为细胞的高流量快速分离奠定了基础。

星形电极介电泳芯片

提出了一种利用负介电泳力在介电泳芯片上富集聚苯乙烯(PS)微球的有效方法:采用lift-off工艺在玻璃衬底上设计并制作了星形结构的微电极,在高频交流信号作用下,星形电极芯片能够提供一个特定的非均匀电场,从而产生负介电泳力。研究了交流信号的幅值和频率、工作液电导率和浓度等参数对PS微球富集效果的影响。结果显示,在交流信号的电压参数VP-P为9 V,频率参数为1 MHz时,低电导率PS微球悬浮液添加到介电泳芯片上时,PS微球在电极中心区域高效率富集。在负介电泳力辅助下,浓度范围在0.33 amol/mL~2.08 amol/mL的PS微球悬浮液内可形成微球团簇状态。研究结果在分子细胞生物学、药理学和生物化学有潜在的应用前景。

微流控芯片技术在细胞黏附研究中的优势与应用前景

背景:细胞黏附性质影响细胞的迁移、增殖、分化,对于细胞分离和富集、组织工程、临床疾病研究及应用均有极其重要的意义。微流控芯片具有小型化、集成化、高通量、低能耗、分析快速等特性,在细胞黏附研究中具有独特的优势。目的:总结并讨论微流控芯片技术在细胞黏附研究中应用的最新进展。方法:由第一作者检索2008至2018年PubMed数据库和百链云数据库,纳入与微流控技术、细胞黏附等相关的文献,并进行系统整理、归纳总结和分析。结果与结论:共检索到文献238篇,按照纳入和排除标准筛选后,共纳入53篇文献,通过阅读、总结和分析文献发现:微流控芯片平台为进行体外基于细胞黏附研究提供了新的可能性,其具有更高的通量,并且能精确控制生物、物理、化学因素构建体内细胞微环境,调控一系列细胞行为,包括细胞黏附、迁移、生长、增殖和分化及细胞与细胞、细胞与基质的相互作用等。微流控芯片技术在动态监测细胞黏附过程、定量检测细胞黏附力、分离和富集稀有细胞、筛选生物医学材料及研究细胞黏附相关疾病等方面具有广阔的应用前景。

基于石英和载玻片的微电极制备工艺研究

研究以石英片和载玻片为基底的微电极制备工艺,以较常见的叉指型电极为例,基于光刻工艺中各工艺参数要求,重点研究曝光和显影时间对微电极的影响。制得的2种不同基底的电极,采用对比度、精度等关键参数进行分析,最终确定选用载玻片作为芯片基底并获得其最佳工艺参数;制作带电极的PDMS—玻璃微流控芯片,通过实验,成功观察到酵母菌细胞的正、负介电泳现象。