基于微流控的细胞操纵技术

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