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微流控芯片在单细胞捕获中的应用

科技导报 2018年第16期36卷 39-45页

作者：吴春卉姜有为程鑫南方科技大学材料科学与工程系深圳518055 南方科技大学前沿与交叉科学研究院深圳518055

单细胞捕获是单细胞水平研究的前提和重要组成部分。微流控芯片通常具有与细胞尺寸相当的微通道结构,并能操控纳升至皮升级的极小体积流体,非常适用于高通量的单细胞捕获,加上微流控芯片能够将其他多种操作单元集成在一起,为单细胞分析... 详细信息

单细胞捕获是单细胞水平研究的前提和重要组成部分。微流控芯片通常具有与细胞尺寸相当的微通道结构,并能操控纳升至皮升级的极小体积流体,非常适用于高通量的单细胞捕获,加上微流控芯片能够将其他多种操作单元集成在一起,为单细胞分析提供了一种效率高、消耗低的研究平台。概述并对比了多种涉及流体力学、光、电、磁、声等领域的微流控单细胞捕获技术的原理和应用,展望了其未来的研究方向。

关键词：微流控芯片单细胞捕获液滴微流控介电电泳光镊

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一种微流控单细胞捕获及生化信号加载装置

一种微流控单细胞捕获及生化信号加载装置

作者：于苗大连理工大学

学位级别：硕士

细胞微环境与细胞相互作用日益成为细胞生物学领域的研究热点之一。对离体培养的单细胞进行操控、观察、检测是探究细胞生物学行为常用的手段。微流控装置不仅是捕获、操控离体培养细胞的理想实验平台,也是构建用于离体培养细胞的微环... 详细信息

细胞微环境与细胞相互作用日益成为细胞生物学领域的研究热点之一。对离体培养的单细胞进行操控、观察、检测是探究细胞生物学行为常用的手段。微流控装置不仅是捕获、操控离体培养细胞的理想实验平台,也是构建用于离体培养细胞的微环境的重要实验工具,在细胞生物学研究工作中得到了广泛使用。现有的研究多数利用流体驻点或通道的边界效应对单细胞进行捕获。利用通道的边界效应捕获单细胞简单、成本低廉,且易形成阵列结构来高效捕获大量单细胞,但不便于对捕获单细胞定量加载动态生化刺激信号。另一种利用流体驻点捕获单细胞的方法则可以对捕获的单细胞有效地加载动态生化信号,但因驻点位置不稳定使得捕获不稳定,不利于长时间观察、检测和分析;尽管可以通过外加反馈控制系统来增大捕获的稳定性,但需要更多的外部控制装置,增加了装置的复杂性。因此迫切需要一种简单低价的、能实现单细胞稳定捕获且便于定量加载动态生化信号的微流控装置。利用流体力学原理和微流控技术,结合通道边界效应与驻点流理论,本文设计了一种可用于单细胞自动捕获并能对捕获单细胞定量加载动态生化信号的微流控装置。该微流控装置与可编程注射泵、荧光倒置显微镜、计算机等组合,构成了用于自动捕获单细胞及加载、检测和分析动态生化信号的实验系统。一方面,通过数值方法求解微通道内的Navier-Stokes方程和Taylor-Aris弥散方程,分析了捕获微通道内的流场分布及动态生化信号传输规律,2D和3D数值仿真结果均验证了该微流控装置捕获单细胞和对被捕获单细胞精确加载动态生化刺激信号的可能性。另一方面,利用可编程注射泵控制注射器,将细胞悬浮液注入微通道内,实验验证了该微流控装置捕获单细胞的有效性;进-步利用注射器和可编程注射泵,通过软件编程来控制注射泵的流量(流速)变化得到含有动态生化信号的刺激溶液,将该刺激溶液注入到微通道内对捕获单细胞加载动态生化信号,实验结果也验证了该微流控装置加载动态生化信号的可行性。本文提供了一种能对离体培养单细胞进行长期捕获且便于加载动态生化刺激信号的微流控装置,为进一步研究微环境刺激引发单细胞动力学响应进而影响单细胞功能和行为等提供了简单有效的实验平台。

关键词：微流控单细胞捕获边界效应驻点流动态生化信号传输特性

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集成单细胞捕获的微流控细胞分选芯片研究

集成单细胞捕获的微流控细胞分选芯片研究

作者：吴菲中北大学

学位级别：硕士

细胞是生物及生命活动的基本单位,利用微流控芯片技术来操纵和研究细胞,通过研究单细胞可以看出细胞异质性对机体功能和状态的影响,研究不同单细胞的病理特征,对分析细胞代谢、细胞紊乱等细胞活动具有非常重要的意义。细胞分离和单细胞... 详细信息

细胞是生物及生命活动的基本单位,利用微流控芯片技术来操纵和研究细胞,通过研究单细胞可以看出细胞异质性对机体功能和状态的影响,研究不同单细胞的病理特征,对分析细胞代谢、细胞紊乱等细胞活动具有非常重要的意义。细胞分离和单细胞捕获作为研究单细胞的重要手段,其在生命科学和化学分析等领域中有着广泛应用。本研究结合了介电泳原理非侵入、免标记和流体动力学原理低成本的优点,设计并制作了集成单细胞捕获的介电泳连续分离微流控芯片,并利用细胞受到的不同大小或方向的介电泳力而实现细胞分离,利用微捕获结构来捕获单细胞,通过实验实现了在一个微流控芯片上集成细胞分离和单细胞捕获两种功能,本研究主要内容如下:首先,介绍了介电泳原理和流体动力学原理,根据粒子的偶极矩公式推导出了介电泳力的公式,分析粒子结构并建立等效细胞的多层球壳模型,确定了微流体中的粒子受到的主要作用力,用MATLAB仿真软件进行介电频率响应仿真,得到了酵母菌细胞、聚苯乙烯小球、THP-1细胞和OCI细胞的Re[K(ω)]曲线。通过理论分析,设计了细胞分离的微电极和单细胞捕获结构,利用辅助软件AutoCAD、Solidworks建立微流控芯片的模型,导入COMSOL仿真软件,来研究分析微流控芯片的内部电场和流场分布。其次,根据微流控芯片的结构和功能,选用湿法腐蚀ITO和溅射金属铂来制作微电极,以硅片为基底用SU8负胶光刻制作微通道和捕获结构的模具,再用PDMS来制作微通道和捕获结构,之后用过氧等离子键合技术对微流控芯片进行键合,来完成芯片的制作。最后,搭建了用微流控芯片进行实验的测试平台。先用ITO微电极微流控芯片分离酵母菌细胞和聚苯乙烯小球;培养两种直径相近的人类白血病细胞(OCI-AML3细胞和THP-1细胞),通过荧光染色分别处理OCI细胞和THP-1细胞,用铂微电极微流控芯片进行细胞分离实验,实现了OCI细胞与THP-1细胞的连续分离,并对THP-1细胞进行单细胞捕获,细胞纯化率在94%以上,单细胞捕获效率大于94%。

关键词：介电泳流体动力学微流控芯片细胞分离单细胞捕获

微流控芯片上基于细胞捕获及可控释放的单细胞分选

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微流控芯片上基于细胞捕获及可控释放的单细胞分选

作者：吕丹重庆大学

学位级别：硕士

细胞分选在临床诊断、疾病治疗及生物学分析等方面具有重要作用。基于微流控芯片的细胞分选有着分选速度快、准确率高、样本消耗低等优势,目前已经成为细胞分选的重要手段。由于传统的细胞分选手段在支撑细胞异质化研究等领域存在一定... 详细信息

细胞分选在临床诊断、疾病治疗及生物学分析等方面具有重要作用。基于微流控芯片的细胞分选有着分选速度快、准确率高、样本消耗低等优势,目前已经成为细胞分选的重要手段。由于传统的细胞分选手段在支撑细胞异质化研究等领域存在一定的限制,本论文提出和发展了基于微流控芯片的单细胞精确捕获+负向介电电泳控制下细胞释放的单细胞分选技术策略和微流控装置。论文借助理论分析和模拟仿真方法,探讨了捕获陷阱/微电极对等结构参数、流体控制参数和激励信号参数对粒子受力情况、粒子在流场/电场耦合效应下运动轨迹的影响。基于模拟仿真分析结果,优化了微流控结构,制定了材料和加工工艺方案,完成了单细胞分选微流控芯片装置制备。在该装置上,集成了阵列化捕获陷阱结构,可基于流体动力阻力进行单个微球或细胞的捕获;并借助所集成的与单细胞捕获陷阱对应的阵列化微电极结构,加载交流信号诱导负向介电电泳效应,实现目标微球或细胞的可控释放,及实现精细化分选操作目标。利用以单细胞分选微流控芯片为核心的细胞分选平台,分别以微球和细胞为样本,详细分析了激励信号频率、幅值,悬浮介质等参数对单个粒子(微球或细胞)捕获和释放的影响。其研究结果显示微球和细胞能够在合适的进样条件下实现高效单个粒子捕获,并能够在激励信号诱导的足够强度负向介电电泳力驱动下,从捕获陷阱中释放实现分选目的。在微球分选实验中,本论文所建立的微流控芯片装置及分选方法能够基于微球性状差异进行复杂样本体系的精确分选;单个微球捕获效率、分选准确率分别为90.8±1.0%(可通过电操作进一步提高至95.6±0.4%)、96.4±1.1%;在细胞分选实验中,单细胞捕获率、分选准确率也达到了91.3±1.0%、93.7±1.3%的良好水平。这一结果充分证明了本论文提出的单细胞分选方法的可行性和有效性,实现了预定目标,为后续研究工作奠定了坚实基础。

关键词：细胞分选负向介电电泳流体动力微电极单细胞捕获

微流控技术在循环肿瘤细胞异质性分析领域的应用

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中国科学：化学 2022年第1期52卷 52-70页

作者：唐曲胡文琪陈欢欢毛天智冀海伟吴丽秦玉岭丛辉南通大学附属医院医学检验科南通226001 南通大学公共卫生学院南通226019 南通大学附属医院输血科南通226001

循环肿瘤细胞(circulating tumor cells,CTCs)的检测是液体活检的重要组成部分,可以通过低损伤甚至无创的方法达到检测体液中肿瘤细胞的目的.肿瘤细胞在增殖、转移过程中极易产生多种类型的变异,如基因突变、蛋白质组学和表观遗传学改变... 详细信息

循环肿瘤细胞(circulating tumor cells,CTCs)的检测是液体活检的重要组成部分,可以通过低损伤甚至无创的方法达到检测体液中肿瘤细胞的目的.肿瘤细胞在增殖、转移过程中极易产生多种类型的变异,如基因突变、蛋白质组学和表观遗传学改变等,这导致肿瘤细胞个体间发生差异,给临床诊疗带来巨大挑战.通过CTCs检测技术分析肿瘤细胞之间的个体差异,对于癌症诊断、治疗和预后判断等有非常重要的意义.微流控分析技术平台因其尺寸小、易操控、成本低等优点成为CTCs检测分析领域的研究热点.本综述主要介绍了基于微流控分析的单细胞技术在肿瘤细胞异质性研究中的应用.

关键词：循环肿瘤细胞微流控技术单细胞捕获异质性

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基于微流控的细胞操纵方法与应用

科技导报 2018年第16期36卷 29-38页

作者：孙东罗涛香港城市大学生物医学工程系

微流控技术可实现微量液体的精密操控和多种功能模块的微型化集成,在细胞操纵方面具有精确、高效和低成本等传统手段无法比拟的优点,近些年成为学科交叉领域的研究热点之一。从细胞操纵的原理方法及应用出发,综述了微流控细胞操纵领域... 详细信息

微流控技术可实现微量液体的精密操控和多种功能模块的微型化集成,在细胞操纵方面具有精确、高效和低成本等传统手段无法比拟的优点,近些年成为学科交叉领域的研究热点之一。从细胞操纵的原理方法及应用出发,综述了微流控细胞操纵领域的最新研究进展,探讨、总结了各种细胞操纵方法的优缺点,并展望了微流控细胞操纵技术的发展趋势。

关键词：微流控细胞操纵细胞分选细胞富集单细胞捕获

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图像引导的微流控单细胞打印系统

微纳电子技术 2021年第8期58卷 708-714页

作者：陈宇赖文天何玲宇赵飞陈翔湖北第二师范学院计算机学院武汉430205 上海交通大学电子信息与电气工程学院微米/纳米加工技术国家级重点实验室上海200240

传统流式细胞分离方式需要较大的细胞起始浓度,采用机械臂的单细胞分离方式成本高昂,使单细胞技术推广受限。设计并制作了一种集成阀门和动态流阻捕获结构的微流控芯片,可以进行单细胞捕获、鉴定及释放的循环过程;搭建了集成流动控制模... 详细信息

传统流式细胞分离方式需要较大的细胞起始浓度,采用机械臂的单细胞分离方式成本高昂,使单细胞技术推广受限。设计并制作了一种集成阀门和动态流阻捕获结构的微流控芯片,可以进行单细胞捕获、鉴定及释放的循环过程;搭建了集成流动控制模块、双光路荧光检测的光学模块和运动收集模块的外围控制系统;实现了图像引导的细胞捕获、特定细胞检测和释放的自动化过程,并通过荧光微球和svf细胞验证了系统可行性。其细胞打印速度为1个/s,细胞活性可达95%以上。该打印系统将有助于构建自动化、操作简便且集多种功能于一体的单细胞分析芯片。

关键词：微流控图像引导单细胞捕获单细胞打印荧光检测

微流控芯片技术在细胞生物学研究中的应用进展

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中国细胞生物学学报 2011年第11期33卷 1254-1266页

作者：姚琳白亮吴亮其丁永胜中国科学院研究生院生命科学学院北京100049

20世纪90年代以来,微流控芯片技术得到了快速发展。由于具有小型化、集成化、高通量、低消耗、分析快速等特点,微流控芯片作为一种新型的生物学研究平台,能够提供传统方法不具备的精细和可控制的细胞研究条件,在细胞生物学研究领域中得... 详细信息

20世纪90年代以来,微流控芯片技术得到了快速发展。由于具有小型化、集成化、高通量、低消耗、分析快速等特点,微流控芯片作为一种新型的生物学研究平台,能够提供传统方法不具备的精细和可控制的细胞研究条件,在细胞生物学研究领域中得到了广泛关注。该文主要介绍其在细胞培养、分选、裂解、计数、凋亡检测、迁移、单细胞捕获、细胞间作用等方面的研究进展。

关键词：微流控芯片细胞培养细胞分选细胞裂解细胞计数细胞凋亡细胞迁移单细胞捕获细胞间作用

基于石墨烯的微流控芯片制备及其对单细胞行为的研究

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基于石墨烯的微流控芯片制备及其对单细胞行为的研究

作者：王夏华浙江理工大学

学位级别：硕士

微流控技术是一种精确控制及操控特征尺寸在几十到几百微米之间微尺度流体的方法。由于微流控芯片的通道尺寸和单细胞的尺寸大致相当,一般在几十至几百微米,能够从空间和时间上对流体进行精确地控制,节省大量的试剂和细胞,具有传统细胞... 详细信息

微流控技术是一种精确控制及操控特征尺寸在几十到几百微米之间微尺度流体的方法。由于微流控芯片的通道尺寸和单细胞的尺寸大致相当,一般在几十至几百微米,能够从空间和时间上对流体进行精确地控制,节省大量的试剂和细胞,具有传统细胞行为研究技术无可比拟的优势,因此微流控技术的发展为单细胞行为的研究提供了新的思路和方法。单细胞水平的生物物理特性表征可有效阐明细胞的功能和状态,揭示细胞的单体差异性,对于细胞的分化和病理研究,以及疾病的早期临床诊断和治疗具有非常重要的意义。生物阻抗检测技术广泛应用于细胞生理行为相关的研究,也是用于构建细胞阻抗传感器的基础。经典的细胞阻抗电极是平面的金电极,这种电极尽管可以很好的实时传导细胞电阻抗的变化,但是往往需要在金电极上增加一些特定的抗体等化学修饰,从而实现细胞定位。另外,二维的平面的电极往往只能够传感细胞在平面方向(即XY轴)的延伸和迁移,但并不能反映细胞在纵向(即Z轴)的运动和变化,这对于立体三维结构细胞的阻抗分析是不全面的。由于细胞的表面布满着微纳米尺度的丝状伪足,如果从仿生的角度制备出和细胞表面的丝状伪足同尺度相匹配的电极材料和界面,增加细胞表面和界面电极材料的相互作用,为电信号的提取提供更多的接触点和更大的接触力,这将大幅度的增强细胞的电阻抗信号,更加能够区分和监测单细胞癌变的过程。基于此,我们通过微机电系统加工工艺制备具有捕获单细胞/双细胞微槽单元的微流控芯片,并通过一系列化学修饰和物理沉积方法在微槽的三维结构内表面上修饰金材料和石墨烯材料,构建图案化的单个细胞传感单元。实时的CCD采集和电阻抗信号提取分析单细胞/双细胞的不同生理行为,并对结果进行统计、分析与比较。具体研究内容如下:1、设计用于捕获单细胞/双细胞的微流控芯片,并通过一系列微纳加工工艺制备传统的基于二维平面金电极的细胞电阻抗微流控芯片,并对芯片的表面形貌进行了一系列的表征;接着再通过一次磁控溅射工艺将金材料修饰在捕获微槽的三维结构内表面,用一定能量的飞秒激光将连续的导电金薄膜刻蚀成一个个分立的捕获传感单元,形成三维金界面的单/双细胞电阻抗微流控芯片,并同样对芯片的表面形貌进行了一系列的表征;2、通过一系列微纳加工工艺和化学修饰还原等方法,制备具有三维石墨烯仿生界面的单/双细胞电阻抗微流控芯片,并紧接着用一定能量的飞秒激光将连续的导电石墨烯薄膜刻蚀成一个个分立的捕获传感单元。并对石墨烯界面以及捕获微柱的微观形貌、电化学活性、电导性进行了一系列的观测和表征,以及对微量溶液的一些阻抗测试;3、搭建细胞电阻抗的测试平台,对制备得到的三种微流控芯片进行一系列处理。通过注射泵分别将培养好的早期的人乳腺癌细胞系(MCF-7)和中期的人乳腺癌细胞系(MDA-MB-231)注入三种微流控芯片中,单/双细胞分别捕获在相应电极位置,带有CCD的倒置显微镜和阻抗仪实时获得单/双细胞的表面形貌和电阻抗波形信息。同时对芯片内细胞进行一定时间间隔的培养,从而相对实时的得到单/双细胞整个生理周期内的电阻抗和形貌信息,并进一步分析两者之间的对应关系。进行多次重复实验,对相关参数统计分析。最后通过三维石墨烯界面相对实时的同时获得单细胞的电阻抗信号和表面形貌的对应关系;4、通过有限元计算软件COMSOL对所设计的微流控芯片流道的流速进行理论计算,并对所设计制备的三种芯片捕获细胞后电场变化进行理论的计算和比较;分别建立三维石墨烯界面和二维金界面捕获细胞后的等效电路模型,对各部分的参数进行分析对比,得到石墨烯界面的具体理论优势。

关键词：微流控芯片微机电系统(MEMS) 单细胞捕获细胞阻抗传感器(ECIS) 三维石墨烯界面