基于微流控的细胞操纵技术.doc

基于微流控的细胞操纵技术 专业： 集成电路工程 课程： 微型电子机械系统 学号： 2014021628 姓名： 老师： 秦水介 中国﹒贵州﹒贵阳 2015年 4月 基于微流控的细胞操纵技术 摘 要： 细胞操纵技术是目前细胞生物学、微系统科学及药物筛选等学科交叉领域的一个研究热点，能够对不同种类的细胞进行有效的操纵，一直是学术界所面临的重要问题。随着微流体技术的不断发展，微流体芯片正在越来越广泛地应用在细胞操纵的领域。本文从微流体的技术特点出发，结合现有的传统细胞操纵技术，以及其与微流体技术的对比，对微流体在细胞操纵领域的应用和发展作综述性介绍 关键词：细胞操纵；微流控芯片；介电泳；免疫磁珠；光镊 引 言 细胞是生物体和生命活动的基本单位，细胞操纵对于细胞结构和功能的研究、生命活动规律和本质的探索、疾病的诊断与治疗、药物的筛选与设计等都具有十分重要的意义。针对细胞研究应用而生的细胞操纵技术一直是国内外研究的热点，其中包括诸如介电泳法、电阻抗法、免疫磁珠法、力学特性法等一系列有效方法。然而，现存的方法或仪器中，或多或少都存在着各种各样的缺点。 随着微纳米技术和微流体技术的发展，细胞操纵技术正在朝着更精细的操作方式发展。微流体是一种可以操作微量级至10-9到10-18升液体的微小器件，在微流体芯片上往往集成有许多细小的流道，以便液体通过以及进行操作。由于在微流控芯片中对于细胞的研究更接近细胞在体内的真实状态；同时，微流控芯片具有分离效率高、分析速度快、分离模式多、所需样品少、应用范围广、自动化程度高等优点。这一系列的优点都使得它在时间和空间上为分子和细胞的分离、纯化、分析提供了更好的方法。 1 细胞操纵技术难点及要求： 归纳起来，对细胞操纵主要有如下要求： 1) 对细胞本身的伤害比较小，确保细胞的原生性状； 2) 对细胞的分离精确，分离识别率高； 3) 所需要的细胞数目少，或者是在一种较大量的细胞中分离出较小量的细胞； 4) 成本低，操作简便，易于临床使用。 2 传统细胞操纵方法 类型 方法 概述 细胞粘性 利用细胞表面糖蛋白的变化进行检测和分离 化学方法 免疫磁珠 MACS Microbeads 特异性标记 牵拉形变 通过对细胞施加梯度切应力改变细胞迁移速度 非电学物 大小、体积 不同细胞的基本物理属性，图像法判别 理方法 运动特性 细胞在层流中的运动特性的不同 密度梯度离心 percoll连续密度梯度分离法 流式细胞仪 荧光标记法 电学方法 阻抗法 高频交流电下细胞阻抗的特异性 介电泳 介电常数较低的物体在非匀强电场中的受力现象 3 微流控细胞操纵技术 3.1 微流控技术简介 微流体系统是微机电系统(MEMS)技术的关键领域之一，是指能在微观尺寸下实现对复杂流体的控制、操作和检测的系统，包括微传感器、微通道、微泵、微阀等元件，是微流控技术的核心部件。由于釆用微流体系统的控制单元可实现细胞探测物的原位分析，与传统检测方法相比，有更短的响应时间，并且所用的待测细胞溶液与反应试剂用量更低，现已成为用于细胞状态分析、基因研究、药物蹄选等方面研究非常重要的一种分析手段。此外，由于在现有技术水平下的微流道尺寸与细胞的特征尺寸有良好的相容性，可利用微流体系统高度模拟及还原一个体内细胞生存的微环境，这大大提高了细胞探测的准确度和可靠性。因此，微流体系统的设计与实现对研究细胞形态及疾病病理研究有重要的现实意义，成为细胞及单细胞实时检测的新研究方向。 3.2 微流体运动的主要限制因素 在MEMS结构器件中，牛顿力学理论仍适用于多个物理场分析中，然而随着尺寸的缩小，宏观与微观领域的物理规律却不尽相同，使影响宏观系统中比较重要的参数、物理性质在微观领域不再是主导因素，其影响因素的相对重要性在两种领域发生了变化。从而在微尺度下，微流体系统的特性与宏观情况下相差甚远。下面总结了几点影响微流体流动的主要限制因素。 3.2.1 尺度效应 在微流体系统中,作用于流体上的力不再是宏观物理现象中的长度等特征因素，而是体积力与表面力。随着尺度的减小，微流体的体积不断缩小，起主导作用的体积力变换为表面力，在表面力作用不断加强的情况下，表面力将起主要作用，在微小机械器件中，这一特性可能会使流体的连续性几乎完全失效。从而导致了作用于宏观和微观系统的各影响因素对流体产生的影响程度主次排列顺序会有较大差异，如受几何力而产生的尺寸和形状变化、材料的物理特性、几何结构的变化等因素的影响程度会在不同情况下发生变化，从而使所运用的物理规律也就不同。 3.2.2 表面张力 液体表面的分子受气体分子的作用，有向内部收缩的趋势，从而表现出表面张力特性，表面张力的大小用表面张力系数表示，在宏观条件下，通常可以忽略不计，但在微观条件下，表面张力是一个重要影响因素。 以水在毛细管流动为例，当毛细管中进入一个气泡，为了使水能沿毛细管流动，需施加压强(指克服沿程损失所需施加的压强，不包括在出口处的净压强)，当气泡在毛细管运动时，产生的两个表面张力水平分量是不等的，这样需要由两边的压力差来平衡，从而大大增加了沿程损失，因此，在微米尺度条件下，表面张力是影响微流体特性的一个主要因素。 3.2.3 流体粘度特性 在宏观条件下，若温度相差不大，流体粘度一般不变，粘度只与流体本身性质有关，在微观条件下，流体粘度受多方面因素的影响。流体在不同截面形状的微管道中流动时，粘度各不相同，而且粘度与温度、压强有关。目前尚不能用量化方式准确表达粘度与各种因素的关系，但由于粘度成为管道尺寸、截面形状、温度、压强等的函数，在N-S方程中，不能把粘度认为是常量，用N-S方程来解释微流体特性需要严格限制其应用条件。 3.2.4 表面粗糙度 表面粗糙度是影响微流体流动的又一重要因素，宏观流体中管道侧壁的粗糙度对流动特性影响甚小，起主要影响作用的是流体中的分子间作用力，有为了简化分析模型，甚至可以将粗糙度对流体的作用忽略不计。但是，对于微观流体而言，由于尺寸的减小，不平整的侧壁会对流体间分子相互作用产生影响进而对流动效果造成影响。因此，对于微观流体要考虑管壁粗糙度对流体运动的影响，随着微流动的流体分子与管壁面的作用力增大，这一因素成为影响微流体、流动性质的主导参数。 3.2.5 边界层滑移 在流体动力学中，由于满足管壁的无滑移边界条件，通常认为运动在管道中的流体的速度分布是沿着管道的巾心轴方向依次增加的。微观尺度不同于宏观流体情况，侧壁边界会对微流体产生显著影响。在微观范围内，固体的边界无滑移条件应分情况讨论：1nm~1μm的尺寸之间，静电力起主导作用；1μm~1mm的尺寸之间，流体与侧壁的相互影响和挤压而造成的沿程损失起主导作用。 3.3 微流控技术在细胞操纵领域的应用 3.3.1 基于介电泳的细胞操纵微流控技术 介电泳(DEP)，也称双向电泳，是介电常数较低的物体在非匀强电场中受力的现象。介电力大小与物体是否带电无关，与物体的大小、电学性质、周围介质的电学性质，以及外加电场的场强、场强变化率、频率有关。 由于介电泳成本低，科学上正在研究用介电泳来操作细胞、DNA、蛋白质等，以此来取代光探针(optical tweezer)或磁探针(magnetic tweezer)。该方法非常适用于具有明显临界频率特征的两种类型生物粒子分离，即在临界频率下，一种类型的粒子受到正的介电泳力，粒子向电极方向移动；另一种类型的粒子受负的介电泳力，粒子向远离电极的方向移动，从而实现生物粒子的分离。 DEP的优点是易与流体系统结合、不须标定、对少见的细胞有高选择性。但传统的DEP分离系统的步骤操作是非连续的，且受限于DEP作用范围小，主要应用在流场中偏移细胞，往往限制了其操作效率及需要复杂的流体装置，且目标细胞因DEP力作用容易困在电极上，不易将其释放，进而造成了目标细胞长期暴露在高电场的作用之下。为改进传统DEP细胞分离的缺点，许多研究以交替的流体系统、鞘流、改变电极形状、柱状数组与三维分布的电极为基础，发展了连续的细胞分离装置，虽然目标细胞的释放问题因此有所改善，但仍需复杂的流体装置，也限制了其分离的产率。 3.3.2 使用免疫磁珠进行细胞操纵的微流控技术 免疫磁珠细胞分选方法可以在几分钟内从复杂的细胞混合物中分离出很高纯度的细胞。把细胞用超级顺磁性的MACS微型磁珠(MACS Micro Beads)特异性地标记，磁性标记完后，把这些细胞通过一个放在强而稳定磁场中的分选柱。分选柱里的基质造成一个高梯度磁场。被磁性标记的细胞滞留在柱里而未被标记的细胞则流出。当分选柱移出磁场后，滞留柱内的磁性标记细胞就可以被洗脱出来，这样就完全可以获得标记和未标记的两个细胞组份。 免疫磁珠法分离细胞是基于细胞表面抗原能与连接有磁珠的特异性单抗相结合，在外加磁场中，通过抗体与磁珠相连的细胞被吸附而滞留在磁场中，无该种表面抗原的细胞由于不能与连接着磁珠的特异性单抗结合而没有磁性，不在磁场中停留，从而使细胞得以分离。 此外，这一磁性分离系统除了具有抗原抗体特异性配对的优点之外，还具有收集待测物的功能，标定的细胞在外加磁场消失之后，可以随流体流出并且进行收集。免疫磁珠的方法目前已经发展成为大型平台。然而，此方法不能同时收集多种细胞，而且磁力对细胞的伤害较大，是该种方法的缺点。 3.3.3 利用激光光镊进行细胞操纵 光子具有动量，当一束高度汇聚的激光束照射在微粒上时，由于微粒对光的折射、反射和吸收将产生一个非常小的梯度力，这个梯度力将微粒束缚在激光焦点附近，起到了一个光学陷阱的作用。Ashkin.A首次报道了用该项技术无损伤地捕获细胞的实验，并称之为“光镊”。初步研究表明：由于光镊的特点，其在分子生物学、免疫学、细胞工程、基因工程等方面具有广泛的应用前景。利用光镊技术可以实现对活细胞细胞器固定、悬浮和分选，对染色体的捕捉，对活的细胞内部的微粒进行精确的重新定位；光镊技术还可以用来进行基因导入，进行细胞融合等操作。 激光光镊操作技术具有非接触、对样品无污染、操作精度高等优点。然而，在光镊直接用于捕获和操作生物细胞时，对被捕获细胞施加的光学损伤阻碍了光镊的发展。研究发现，可以通过选择一些近红外激光，如Nd:YAG (波长1064 nm)，Nd:YLF，二极管或Ti:sapphire作为激光源来减小光镊对细胞的光学损伤作用。除了这些方法，在光学捕获中，可以使用两个发散光束而不是一个高度集中的光束来减少光学损伤。 3.3.4 其他微流控细胞操纵技术 机械操纵法：机械操纵法主要是指利用微机械加工技术，在芯片上刻蚀出各种结构，如微筛、微阱、微沟、梳状、堰状、沙袋等，根据细胞尺寸的差异进行物理分离的一种方法。它具有工作原理简单，不需要特殊的缓冲液等优点。缺点是制作微结构较复杂，而且要求目标细胞和杂质细胞必须有明显的尺寸差异，分辨率低。 体积细胞筛选：细胞是低频电流的绝缘体，当细胞在一个容量固定的腔体里发生体积变化时，会减少整个腔体内的溶液数量，因而改变整个腔体的电阻。根据这个原理，Ateya等设计了一种硅芯片，可以检测到1 mOsm(即2.3573 Pa)渗透压引起的细胞体积的变化，导致溶液电阻的变化，实现多种细胞的同时检测和筛选。 库尔特计数法：库尔特技术是同样是以电阻的变化作为区分参数，用于芯片上的细胞分选。Chun等在玻璃芯片内聚合高分子化合物作为盐桥，令细胞通过盐桥，引起阻抗响应值变化，这种变化与细胞大小有关，因此可用于人红细胞和白细胞的分选。 4 总 结 利用微流体芯片的有效细胞分离和筛选方法一直是研究者们的重点和热点研究方向，本文先介绍了细胞