基于雙極性電極陣列的微流控芯片，可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞可控、非接觸三維旋轉(zhuǎn)

細(xì)胞的精確旋轉(zhuǎn)在單細(xì)胞分析、藥物發(fā)現(xiàn)和生物體分析等多個(gè)領(lǐng)域都具有重要意義。通過細(xì)胞的三維旋轉(zhuǎn)，將有助于發(fā)現(xiàn)隱藏的遺傳和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，在顯微手術(shù)、小生物表型和篩選中至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)機(jī)械操作方法會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生不可逆的物理損傷，影響細(xì)胞活力，因此非接觸式操作方法在遠(yuǎn)程控制、無污染等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

目前常用的無接觸式細(xì)胞操控方法主要依靠電場(chǎng)、光場(chǎng)、聲場(chǎng)和磁場(chǎng)等。光場(chǎng)操控通常需要一個(gè)比較大的光強(qiáng)，會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生不可逆的損傷，并且缺乏可選擇性；磁場(chǎng)操控通常需要對(duì)細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，并且標(biāo)記很難去除；聲場(chǎng)操控需要頻繁改變電極和通道的結(jié)構(gòu)，效率較低。因此，電場(chǎng)操控方法因其方便、成本低、效率高而被廣泛接受。

通常情況下，電場(chǎng)操控主要依靠介電泳力（DEP）和電旋轉(zhuǎn)力矩（ROT）誘導(dǎo)細(xì)胞轉(zhuǎn)動(dòng)，然而目前依賴于DEP和ROT的方法，通常需要一個(gè)復(fù)雜的電極結(jié)構(gòu)（如三維電極），并且通量十分有限。

為解決上述問題，近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士、王學(xué)文教授、吳玉潘副教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于雙極性電極陣列（BPE）的微流控芯片，使細(xì)胞在介電泳力（DEP）、電旋轉(zhuǎn)力矩（ROT）和電滲流（ICEO）的綜合作用下進(jìn)行可控的三維旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)一步利用平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)譜提取了細(xì)胞介電特性，為不同種類細(xì)胞的可控、非接觸和精確旋轉(zhuǎn)提供了一種靈活、高通量和無損的方法。相關(guān)研究成果以“Three-Dimensional Rotation of Deformable Cells at a Bipolar Electrode Array Using a Rotating Electric Field”為題，發(fā)表在英國皇家化學(xué)會(huì)期刊Lab on a Chip上。

圖1細(xì)胞三維旋轉(zhuǎn)的工作機(jī)理及微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖

該微流控裝置利用四個(gè)ITO電極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，并在中心的雙極性電極陣列上誘導(dǎo)產(chǎn)生DEP、ROT和ICEO渦流，通過對(duì)施加信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞繞X軸、Y軸和Z軸的三維旋轉(zhuǎn)。

該研究選用酵母菌細(xì)胞和K562細(xì)胞，在高頻信號(hào)作用下，細(xì)胞受到DEP和ROT的主導(dǎo)作用進(jìn)行平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)兩種細(xì)胞的CM因子及電旋轉(zhuǎn)力矩的仿真結(jié)果，通過調(diào)整施加信號(hào)的頻率，可隨意調(diào)節(jié)細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)速度和方向；在低頻信號(hào)作用下，細(xì)胞受到ICEO的主導(dǎo)作用并陷入ICEO渦流在電極邊緣發(fā)生平面外旋轉(zhuǎn)。

在旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的作用下，細(xì)胞在電極邊緣受到行波介電泳力（twDEP）的作用，從而繞著電極邊緣進(jìn)行平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)方向和速度均可通過改變施加信號(hào)的頻率來調(diào)節(jié)。因此基于twDEP和ICEO，本工作提出一種細(xì)胞的精確旋轉(zhuǎn)方法，使細(xì)胞在雙極性電極的任意位置進(jìn)行平外面旋轉(zhuǎn)。首先施加一個(gè)高頻信號(hào)，使細(xì)胞在cDEP和twDEP的綜合作用下繞電極邊緣進(jìn)行平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，立刻將信號(hào)切換為低頻信號(hào)，細(xì)胞便會(huì)在指定位置陷入ICEO渦流發(fā)生平面外旋轉(zhuǎn)。這可以作為一種簡(jiǎn)單無害的方法來穩(wěn)定地捕獲細(xì)胞，并使細(xì)胞不依賴于自身特性進(jìn)行平面外旋轉(zhuǎn)，有利于細(xì)胞的三維成像。

圖2 酵母菌細(xì)胞的可控三維旋轉(zhuǎn)



圖3 K562細(xì)胞的可控三維旋轉(zhuǎn)

基于酵母菌細(xì)胞和K562細(xì)胞的面內(nèi)轉(zhuǎn)速與自身電學(xué)參數(shù)的關(guān)系，該研究最后利用實(shí)驗(yàn)中測(cè)出的細(xì)胞面內(nèi)轉(zhuǎn)速在MATLAB中擬合出了細(xì)胞質(zhì)電導(dǎo)率及細(xì)胞膜介電常數(shù)，并利用擬合出的電學(xué)參數(shù)重新繪制了兩種細(xì)胞的CM因子，擬合結(jié)果和現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)據(jù)非常接近。

總體而言，ICEO與DEP結(jié)合具有無損、靈活操縱細(xì)胞的優(yōu)越能力。無線雙極性電極陣列的使用消除了對(duì)復(fù)雜電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造過程的需要，擴(kuò)大了操作區(qū)域，并允許以預(yù)定的方式進(jìn)行單個(gè)或多個(gè)細(xì)胞的非接觸和高精度旋轉(zhuǎn)。本方法不僅可以從任意角度觀察三維細(xì)胞，而且在研究細(xì)胞特性、藥物發(fā)現(xiàn)和顯微手術(shù)方面具有巨大的潛力，在生物工程、醫(yī)學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域具有重要的價(jià)值。

審核編輯：劉清