高效细胞电融合芯片中的电场分析

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第36卷分析化学(FENXIHUAXUE)研究报告第5期2008年5月ChineseJournalofAnalyticalChemistry593—598高效细胞电融合芯片中的电场分析曹毅杨军阴正勤侯文生郑小林胡宁杨静许蓉张瑞强(重庆大学生物工程学院，重庆400030)(重庆城市管理职业学院电子信息工程系，重庆400055)(第三军医大学附属西南医院眼科，重庆400038)摘要细胞电融合芯片内的电场分布对细胞的控制及细胞融合效率有非常重要的意义，它是该类芯片设计的主要因素。电场分布主要由芯片内微通道和微电

2、极的结构决定。在一个新研制的融合芯片中，采用大量微电极构成的阵列来提高融合效率。由于电极数量很多，微通道和微电极的结构和形状复杂，理论计算芯片内部电场分布具有较大难度。利用ANSYS有限元分析软件，对细胞电融合芯片中的电场分布进行模拟分析，得到其强度分布及变化梯度。通过不同设计的对比分析，提出了更加适合于细胞电融合的电极阵列结构模型——矩形梳状交叉微电极阵列，为高效细胞电融合芯片的实现奠定了基础。在矩形梳状交叉微电极阵列原型芯片的实验研究中，细胞融合(植物原生质体融合)效率约为40％，超过了传统的化学融合(小于1％)、电融合(小于10％)，以及最初所采

3、用的矩形对称梳状电极(小于20％)。表明在该融合芯片上可以实现高效的细胞电融合。关键词细胞融合，电融合，仿真，微电极，电击穿，有限元1引言细胞电融合是现代生物工程技术的重要组成部分，它通过电场诱导，使两个异源细胞在离体条件下相互接触，穿孑L，进而形成一个杂合细胞。细胞融合广泛应用于医疗卫生、现代农业等研究领域，包括单克隆抗体制备、新物种产生或改良等⋯。现在，细胞电融合技术是细胞融合研究中最常用的手段。细胞电融合通过几个连续的过程来实现：细胞在电场中受到介电泳力，相互接触形成珠串，该过程称为细胞排队；高压电脉冲作用使细胞膜可逆击穿，两细胞内液通过穿孑L交

4、换物质；细胞膜、细胞核融合形成一个新的细胞。自从Zimmermann发明细胞电融合技术以来，研究者们设计制作了各种各样的细胞电融合设备及系统，并且其设备的研制逐渐从宏观走向微观J。早期的细胞电融合设备中电极间距在毫米数量级，随着微电子技术工艺和MEMES制造技术的不断成熟和发展，现代细胞电融合系统中电极间距已经和细胞尺寸处在同一数量级H。电极间距的减小，对融合电压的要求大大降低。而与细胞大小相当的微结构更有利于细胞的有效操作和控制，也为建立细胞电融合芯片奠定了基础。细胞电融合芯片研究的一个关键问题是芯片内部微通道和微电极的设计¨。芯片内的细胞电融合是依

5、靠细胞在电场作用下排列成队，进而通过穿孔而发生融合的。电场大小、分布和梯度等对细胞的排队、融合及融合效率有较大影响。它们也受到微通道和微电极形状、几何尺寸、排列等多方面的影响。因此，设计合适的通道，特别是融合电极，对细胞电融合芯片的研制具有重要意义。此前的细胞融合芯片都采用单对电极或者数目不多的几对电极，可同时融合的细胞数量很少，效率低，不能满足实际细胞融合研究的要求。本实验采用了大量微电极构成的阵列来同时控制多对细胞的融合。这样，芯片中的电场分布情况远比原有的融合芯片复杂，对电极的设计和优化要求也更高。考虑到用一般电磁场理论来直接描述该芯片中的电场分

6、布非常困难，本实验采用有限元分析方法，利用有限元软件ANSYS对细胞融合芯片微电极周围的电场进行了分析求解，得到了芯片内微通道及微电极周围电场分布及梯度变化情况，为微电极的设计方案提供了基本理论。在矩形梳状对称微电极结构模型研2007-09-16收稿；2007-11-13接受本文系国家自然科学基金(Nos．30500120，30770569)，国家高技术研究发展计划(863计划)(No．2006AAO4Z343)资助项目}E-mail：yjun1999@hotmail．eom维普资讯http://www.cqvip.com594分析化学第36卷究的基础

7、上，提出了一种优化的细胞电融合芯片微电极模型——矩形梳状交叉微电极结构模型。在初步的验证实验中，大量黄瓜叶肉细胞原生质体被同时融合，融合效率显著高于现有的电融合方法。2基本理论2．1介电电泳原理在细胞电融合过程中，介电电泳是细胞排队的基础。两个或两个以上的细胞，首先在介电电泳力作用下紧挨在一起，完成细胞融合前的排队过程。1951年Pohl[】首次把中性粒子在非均匀电场下诱导的运动描述为介电电泳(dielectrophoresis，DEP)。它是指在非均匀交变电场作用下，介质微粒被极化为电偶极子，并在与电场作用下发生相互运动的过程。介电电泳力就是电偶极子

8、在非均匀电场中受到的作用力，其方向和大小依赖于电偶极子和周围溶液环境的性质。对于球形结构的介质