一種細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片、裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片，包括依次疊加的基底層、微通道層、電極層和微流體腔層，所述電極層上開設(shè)有至少一個微孔，每個微孔的四周繞設(shè)有一個可以產(chǎn)生負(fù)介電泳、行波介電泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳的微電極，所述微通道層上形成有微流道，所述微流道的一端連通于所述微孔，另一端與真空吸附裝置連接，所述微流體腔層于所述微電極的對應(yīng)位置上形成有微槽。本發(fā)明還公開了一種細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)裝置和細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)方法。本發(fā)明的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片，利用行波介電泳實現(xiàn)細(xì)胞位置的快速調(diào)節(jié)，利用電旋轉(zhuǎn)介電泳實現(xiàn)細(xì)胞姿態(tài)的快速調(diào)節(jié)。利用負(fù)介電泳使細(xì)胞遠(yuǎn)離電極平面，大大降低電場對細(xì)胞的影響。
【專利說明】一種細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片、裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片、裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 20世紀(jì)70年代興起的以基因（DNA)重組為核心的現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，已 成為人類解決畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健等諸多問題的重要手段。細(xì)胞顯微注射技術(shù)是一種典 型的生物微操作技術(shù)，廣泛應(yīng)用于卵胞漿內(nèi)單精子顯微注射、胚胎切割及移植、原核注射和 克隆等領(lǐng)域。細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其形態(tài)具有對應(yīng)關(guān)系，被操作細(xì)胞位置和姿態(tài)(合稱位姿）對 實驗效率和結(jié)果具有重要影響，實驗人員要求第一極體遠(yuǎn)離注射針和吸持針的操作位置， 以減輕對紡錘體等細(xì)胞器的損傷。
[0003] 細(xì)胞位置調(diào)節(jié)的方法主要通過吸持管，光鑷，磁場，超聲波，微流體來移動細(xì)胞到 固定位置。其中，吸持管和光鑷需要在視覺下處理，而且激光對細(xì)胞有一定影響，不適合生 物實驗。而磁場法操作較為復(fù)雜，且磁場對生物細(xì)胞的影響尚未明。超聲波對細(xì)胞的損傷較 大，不適合生物實驗。而最常用的是微流體吸附平臺，通過微孔抽離液體，從而帶動微粒移 動，最終吸附到微孔上。但是吸附到微孔上的細(xì)胞姿態(tài)是隨意的，且吸附后姿態(tài)難以調(diào)整。
[0004] 細(xì)胞姿態(tài)調(diào)節(jié)方法分為機械接觸式位姿調(diào)節(jié)法和非接觸式位姿調(diào)節(jié)法。機械接觸 式位姿調(diào)節(jié)法對于操作者的經(jīng)驗依賴度高，操作復(fù)雜且成功率低。非接觸式位姿調(diào)節(jié)法包 括激光法、電場法、磁場法、超聲波法、微流控法等，上述非接觸式細(xì)胞微操作技術(shù)具有可實 現(xiàn)細(xì)胞任意角度調(diào)節(jié)的優(yōu)越性，但存在一個共同不足，不能為微注射針穿刺細(xì)胞膜提供穩(wěn) 定支撐。其中，激光法通常需要搭建專用的激光發(fā)生及其輔助裝置，造價非常高，而且激動 對細(xì)胞有一定影響，因此難以推廣使用。電場法中，采用電場讓細(xì)胞在兩個正交面內(nèi)分別旋 轉(zhuǎn)以此來實現(xiàn)細(xì)胞三維姿態(tài)調(diào)節(jié)，但在平臺的搭建和調(diào)試上將十分困難，限制了其實際的 應(yīng)用。磁場法和超聲波法如上述所說，不適合生物實驗。微流體法細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)技術(shù)是采 用流體運動產(chǎn)生的壓力、粘性力等驅(qū)動細(xì)胞運動的原理來進(jìn)行來操作。在水平面和堅直平 面分別各有1對相互偏置的微管道，通過噴吐等速的流體推動細(xì)胞滾動，從而實現(xiàn)細(xì)胞姿 態(tài)的調(diào)節(jié)，接著通過吸持管固定后注射。該方法缺點是如果細(xì)胞的尺寸、大小變化，溶液粘 性有所不同的時候，需要對固定的兩根玻璃微管及其流量進(jìn)行重新調(diào)整甚至重新設(shè)計，對 此，華南理工大學(xué)對此進(jìn)行了優(yōu)化，通過使用音圈馬達(dá)控制微管伸縮調(diào)整，從而滿足不同尺 寸細(xì)胞的要求。但是，缺點仍然存在，位姿調(diào)節(jié)完成后，在進(jìn)行后續(xù)操作前需要進(jìn)行細(xì)胞的 吸持操作，這極易再次改變細(xì)胞已經(jīng)調(diào)整好的方向，對后續(xù)操作較為不利。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片、裝置和方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中 的不足。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案： 本發(fā)明實施例公開了一種細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片，包括依次疊加的基底層、微通道層、電極 層和微流體腔層，所述電極層上開設(shè)有至少一個微孔，每個微孔的四周繞設(shè)有一個可以產(chǎn) 生負(fù)介電泳、行波介電泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳的微電極，所述微通道層上形成有微流道，所述 微流道的一端連通于所述微孔，另一端與真空吸附裝置連接，所述微流體腔層于所述微電 極的對應(yīng)位置上形成有微槽。
[0007] 優(yōu)選的，在上述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片中，所述每個微電極包括呈螺旋狀繞設(shè)于所 述微孔四周的四個信號電極。
[0008] 優(yōu)選的，在上述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片中，所述微電極的中部圍成一中空區(qū)域。
[0009] 優(yōu)選的，在上述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片中，所述每個信號電極靠近所述微孔的一端 分別與一半橢圓狀電極連接。
[0010] 優(yōu)選的，在上述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片中，所述每個信號電極的寬度為2(Γ40 μ m，所 述相鄰兩個信號電極之間的間距為2(Γ40 μ m。 toon] 優(yōu)選的，在上述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片中，所述信號電極遠(yuǎn)離所述微孔的一端與模 擬開關(guān)連接。
[0012] 優(yōu)選的，在上述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片中，所述電極層包括ΙΤ0玻璃以及形成于所 述ΙΤ0玻璃側(cè)邊的PCB電路板，所述微電極形成于所述ΙΤ0玻璃的上表面，所述PCB電路板 的邊緣設(shè)置有4個信號輸入端，該4個信號輸入端分別通過形成于所述PCB電路板上的導(dǎo) 電線路連接于所述4個信號電極，所述模擬開關(guān)設(shè)置于所述PCB電路板上。
[0013] 本發(fā)明實施例還公開了一種細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)裝置，包括： 細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片； 雙通道可同步信號發(fā)生器； 反相器，接收來自雙通道可同步信號發(fā)生器的正弦波，并將其分成0°、90°、180°和 270°的4路正弦波信號，然后輸送至細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片的微電極； 倒置的顯微鏡與CCD，采集細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片上細(xì)胞的圖像，并將該圖像通過視頻采集 卡反饋給計算機； 計算機，連接于雙通道可同步信號發(fā)生器并控制其信號的輸出。
[0014] 優(yōu)選的，在上述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)裝置中，所述計算機還連接于模擬開關(guān)并控制其 通斷。
[0015] 本發(fā)明實施例還公開了一種細(xì)胞位姿的調(diào)節(jié)方法，包括： 采用負(fù)介電泳使得細(xì)胞懸?。?采用行波介電泳使得細(xì)胞位置進(jìn)行移動； 采用電旋轉(zhuǎn)介電對細(xì)胞的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于： 1)、利用行波介電泳實現(xiàn)細(xì)胞位置的快速調(diào)節(jié)(位置調(diào)節(jié)時間短，而且不需要視覺)，利 用電旋轉(zhuǎn)介電泳實現(xiàn)細(xì)胞姿態(tài)的快速調(diào)節(jié)。
[0017] 2 )、利用負(fù)介電泳時細(xì)胞遠(yuǎn)離電極平面，大大降低電場對細(xì)胞的影響。
[0018] 3)、細(xì)胞姿態(tài)調(diào)整時候與微孔接觸，因而吸附時候不易改變細(xì)胞已經(jīng)調(diào)整好的方 向。
[0019] 4 )、每個微槽中的電極組都是獨立的，可以同時獨立處理單個細(xì)胞，效率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下， 還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0021] 圖1所示為本發(fā)明具體實施例中細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)裝置的原理示意圖； 圖2所示為本發(fā)明具體實施例中細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3所示為本發(fā)明具體實施例中微流體腔層的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4所示為本發(fā)明具體實施例中電極層的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5所示為本發(fā)明具體實施例中微通道層的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6所述為本發(fā)明具體實施例中微電極的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7所示為本發(fā)明具體實施例中細(xì)胞運動的原理示意圖。

【具體實施方式】
[0022] 術(shù)語解釋： 位姿：位置和姿態(tài)。
[0023] 介電泳：也稱雙向電泳，是中性粒子在非勻強電場中受力的現(xiàn)象。包括，傳統(tǒng)介電 泳，行波介電泳，電旋轉(zhuǎn)介電泳。
[0024] PDMS : (Polydimethylsiloxane)作為一種高分子有機娃化合物。具有光學(xué)透明， 且在一般情況下，被認(rèn)為是惰性，無毒，不易燃，具有良好的生物兼容性。廣泛運用于生物微 機電中的微流道系統(tǒng)等。
[0025] ΙΤ0玻璃：即氧化銦錫（Indium-Tin Oxide)透明導(dǎo)電膜玻璃，在超薄玻璃上濺射 氧化銦錫導(dǎo)電薄膜鍍層并經(jīng)高溫退火處理得到的高技術(shù)產(chǎn)品。
[0026] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描 述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明 中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施 例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0027] 參圖1所示，細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)裝置包括計算機1、雙通道可同步信號發(fā)生器2、反相器 3、細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片4、倒置顯微鏡與(XD5和視頻采集卡6。
[0028] 計算機1連接雙通道可同步信號發(fā)生器2,控制信號輸出，輸出的正弦波經(jīng)過反相 器3得到0°、90°、180°和270°的4路所需正弦波，細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片放置于倒置顯微 鏡上，通過(XD5采集圖像，經(jīng)過視頻采集卡6,將數(shù)據(jù)反饋給計算機1。
[0029] 參圖2所示，細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片4包括依次疊加設(shè)置的基底層46、微通道層45、電 極層44和微流體腔層43,各層之間通過陽離子鍵合。
[0030] 基底層46位于最底層，其材質(zhì)優(yōu)選為玻璃。
[0031] 參圖5所示，微通道層45形成于基底層46上，微通道層45的材質(zhì)優(yōu)選為有機玻 璃，其上表面上加工有微通道452,微通道452的數(shù)量優(yōu)選設(shè)有獨立的4個。
[0032] 參圖3和圖4所不，電極層44形成于微通道層45的上表面，其包括ΙΤ0玻璃441 以及形成于ΙΤ0玻璃兩側(cè)的PCB電路板442。
[0033] ΙΤ0玻璃441上分布有4個微孔432, ΙΤ0玻璃441的邊緣上還設(shè)置有4個微管道 42,每個微通道452的兩端分別對應(yīng)連通于一個微孔432和一個微管道42之間。微管道 452與真空吸附裝置41連接。
[0034] 每個微孔432的四周分別繞設(shè)有一個可以產(chǎn)生負(fù)介電泳、行波介電泳和電旋轉(zhuǎn)介 電泳的微電極443,微電極443通過在ΙΤ0玻璃441上刻蝕形成。
[0035] 參圖6所示，每個微電極443包括呈螺旋狀繞設(shè)于微孔432四周的四個信號電極 4431。微電極443的中部圍成一中空區(qū)域，該中空區(qū)域的直徑優(yōu)選為180 μ m，其直徑大小可 以根據(jù)細(xì)胞直徑、電壓以及溶液等條件相應(yīng)改變。每個信號電極4431靠近微孔432的一端 分別與一半橢圓狀電極4432連接，4個半橢圓狀電極4432圍成上述的中空區(qū)域。優(yōu)選的，每 個信號電極的寬度為2(Γ40 μ m，優(yōu)選為30 μ m，相鄰兩個信號電極之間的間距為2(Γ40 μ m， 優(yōu)選為30 μ m。
[0036] PCB電路板442上設(shè)置有四個信號輸入端4451、4452、4453和4454,以及2個模擬 開關(guān)444。該4個信號輸入端分別通過形成于PCB電路板上的導(dǎo)電線路對應(yīng)連接于4個信 號電極。ΙΤ0玻璃441上電路與PCB電路板442通過導(dǎo)電膠鍵合。模擬開關(guān)444設(shè)置在信 號輸入端與微電極之間的電路上，模擬開關(guān)的控制端與計算機1相連，由計算機1控制開關(guān) 通斷。
[0037] 四個微電極相互獨立，且每個微電極通過模擬開關(guān)與信號輸入端連接，因此每個 微電極可以獨立實現(xiàn)對細(xì)胞的處理。
[0038] 易于想到的是，微電極還可以僅設(shè)置有1個或其他數(shù)量，本發(fā)明并不進(jìn)行限制，相 應(yīng)地，微孔以及微流道的數(shù)量與微電極數(shù)量對應(yīng)改變。
[0039] 微流體腔層43形成于ΙΤ0玻璃441的上表面，其材質(zhì)優(yōu)選為PDMS，微流體腔層43 上對應(yīng)四個微孔432的位置分別開設(shè)有4個貫穿其上下表面的微槽431，微槽431的直徑優(yōu) 選為2mm，其直徑大小隨細(xì)胞直徑而定，且每個微槽431分別與對應(yīng)的微孔432同心。
[0040] 上述細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)裝置的工作原理如下： 計算機1與雙通道可同步信號發(fā)生器2相連，控制其輸出2路同步的相位角分別為0°， 90°的正弦信號；每路正弦信號通過同軸電纜線1分為2,分出來的1路接反相器3,反相 得到180°和270°的正弦信號；把4路0°，90°，180°，270°的正弦信號分別按順序接到芯 片信號輸入端44511454 ;模擬開關(guān)444與計算機1相連，可以通斷每一路的信號。如圖7 所示，當(dāng)微電極443通上信號后，細(xì)胞在負(fù)介電泳力作用下被排斥離電極平面，在一定高度 處，負(fù)介電泳力與重力平衡，細(xì)胞懸浮；同時，細(xì)胞在行波介電泳力作用下向著電極中心區(qū) 域移動；當(dāng)?shù)竭_(dá)中心區(qū)域后，由于中心區(qū)域間距較大（180μπι)，負(fù)介電泳力較小，細(xì)胞會沉 降到微孔432處(如果細(xì)胞沒有沉降到微孔，則由CCD5采集圖像，并經(jīng)視頻采集卡6將數(shù) 據(jù)反饋給計算機1，然后計算機1控制信號發(fā)生器2降低輸出電壓，使得細(xì)胞沉降）；接著， 細(xì)胞在電旋轉(zhuǎn)介電泳作用下在水平面轉(zhuǎn)動，當(dāng)細(xì)胞轉(zhuǎn)動到預(yù)定位置時候，控制模擬開關(guān)444 關(guān)閉該電極組信號，通過計算機1檢查位姿是否符合要求，如果不符合，則繼續(xù)接通信號， 如果符合要求，則開啟真空吸附轉(zhuǎn)置41吸附細(xì)胞。細(xì)胞固定，可以進(jìn)行下一步的顯微注射。 而其余還未完成姿態(tài)調(diào)整的可以獨立繼續(xù)操作。
[0041] 綜上所述，本發(fā)明的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片，利用行波介電泳實現(xiàn)細(xì)胞位置的快速調(diào) 節(jié)，利用電旋轉(zhuǎn)介電泳實現(xiàn)細(xì)胞姿態(tài)的快速調(diào)節(jié)(細(xì)胞姿態(tài)調(diào)整時候與微孔接觸，因而吸附 時候不易改變細(xì)胞已經(jīng)調(diào)整好的方向）。利用負(fù)介電泳時細(xì)胞遠(yuǎn)離電極平面，大大降低電場 對細(xì)胞的影響。而且，每個微腔中的微電極都是獨立的，可以同時獨立處理單個細(xì)胞，效率 商。
[0042] 需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實 體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存 在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在涵 蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要 素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備 所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句"包括一個……"限定的要素，并不排除 在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
[0043] 以上所述僅是本發(fā)明的【具體實施方式】，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于，包括依次疊加的基底層、微通道層、電極層和 微流體腔層，所述電極層上開設(shè)有至少一個微孔，每個微孔的四周繞設(shè)有一個可以產(chǎn)生負(fù) 介電泳、行波介電泳和電旋轉(zhuǎn)介電泳的微電極，所述微通道層上形成有微流道，所述微流 道的一端連通于所述微孔，另一端與真空吸附裝置連接，所述微流體腔層于所述微電極的 對應(yīng)位置上形成有微槽。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于：所述每個微電極包括呈螺 旋狀繞設(shè)于所述微孔四周的四個信號電極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于：所述微電極的中部圍成一 中空區(qū)域。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所示的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于：所述每個信號電極靠近所 述微孔的一端分別與一半橢圓狀電極連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于：所述每個信號電極的寬度 為2(Γ40 μ m，所述相鄰兩個信號電極之間的間距為2(Γ40 μ m。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于：所述信號電極遠(yuǎn)離所述微 孔的一端與模擬開關(guān)連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片，其特征在于：所述電極層包括ITO玻璃 以及形成于所述ITO玻璃側(cè)邊的PCB電路板，所述微電極形成于所述ITO玻璃的上表面，所 述PCB電路板的邊緣設(shè)置有4個信號輸入端，該4個信號輸入端分別通過形成于所述PCB 電路板上的導(dǎo)電線路連接于所述4個信號電極，所述模擬開關(guān)設(shè)置于所述PCB電路板上。
8. -種細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，包括： 權(quán)利要求1至7任一所述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片； 雙通道可同步信號發(fā)生器； 反相器，接收來自雙通道可同步信號發(fā)生器的正弦波，并將其分成0°、90°、180°和 270°的4路正弦波信號，然后輸送至細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片的微電極； 倒置的顯微鏡與CCD，采集細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)芯片上細(xì)胞的圖像，并將該圖像通過視頻采集 卡反饋給計算機； 計算機，連接于雙通道可同步信號發(fā)生器并控制其信號的輸出。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的細(xì)胞位姿調(diào)節(jié)裝置，其特征在于：所述計算機還連接于模擬 開關(guān)并控制其通斷。
10. -種細(xì)胞位姿的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，包括： 采用負(fù)介電泳使得細(xì)胞懸浮； 采用行波介電泳使得細(xì)胞位置進(jìn)行移動； 采用電旋轉(zhuǎn)介電對細(xì)胞的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
【文檔編號】C12M1/42GK104140927SQ201410370791
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】黃海波, 錢成, 陳立國, 李相鵬, 陳濤, 劉吉柱, 楊湛, 孫立寧 申請人:蘇州大學(xué)