【摘要】:細胞是生物及生命活動的基本單位,利用微流控芯片技術來操縱和研究細胞,通過研究單細胞可以看出細胞異質性對機體功能和狀態的影響,研究不同單細胞的病理特征,對分析細胞代謝、細胞紊亂等細胞活動具有非常重要的意義。細胞分離和單細胞捕獲作為研究單細胞的重要手段,其在生命科學和化學分析等領域中有著廣泛應用。


本研究結合了介電泳原理非侵入、免標記和流體動力學原理低成本的優點,設計并制作了集成單細胞捕獲的介電泳連續分離微流控芯片,并利用細胞受到的不同大小或方向的介電泳力而實現細胞分離,利用微捕獲結構來捕獲單細胞,通過實驗實現了在一個微流控芯片上集成細胞分離和單細胞捕獲兩種功能,本研究主要內容如下:


首先,介紹了介電泳原理和流體動力學原理,根據粒子的偶極矩公式推導出了介電泳力的公式,分析粒子結構并建立等效細胞的多層球殼模型,確定了微流體中的粒子受到的主要作用力,用MATLAB仿真軟件進行介電頻率響應仿真,得到了酵母菌細胞、聚苯乙烯小球、THP-1細胞和OCI細胞的Re[K(ω)]曲線。通過理論分析,設計了細胞分離的微電極和單細胞捕獲結構,利用輔助軟件AutoCAD、Solidworks建立微流控芯片的模型,導入COMSOL仿真軟件,來研究分析微流控芯片的內部電場和流場分布。


其次,根據微流控芯片的結構和功能,選用濕法腐蝕ITO和濺射金屬鉑來制作微電極,以硅片為基底用SU8負膠光刻制作微通道和捕獲結構的模具,再用PDMS來制作微通道和捕獲結構,之后用過氧等離子鍵合技術對微流控芯片進行鍵合,來完成芯片的制作。


最后,搭建了用微流控芯片進行實驗的測試平臺。先用ITO微電極微流控芯片分離酵母菌細胞和聚苯乙烯小球;培養兩種直徑相近的人類白血病細胞(OCI-AML3細胞和THP-1細胞),通過熒光染色分別處理OCI細胞和THP-1細胞,用鉑微電極微流控芯片進行細胞分離實驗,實現了OCI細胞與THP-1細胞的連續分離,并對THP-1細胞進行單細胞捕獲,細胞純化率在94%以上,單細胞捕獲效率大于94%。