一種細胞位姿調節芯片、裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種細胞位姿調節芯片，包括依次疊加的基底層、微通道層、電極層和微流體腔層，所述電極層上開設有至少一個微孔，每個微孔的四周繞設有一個可以產生負介電泳、行波介電泳和電旋轉介電泳的微電極，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位置上形成有微槽。本發明還公開了一種細胞位姿調節裝置和細胞位姿調節方法。本發明的細胞位姿調節芯片，利用行波介電泳實現細胞位置的快速調節，利用電旋轉介電泳實現細胞姿態的快速調節。利用負介電泳使細胞遠離電極平面，大大降低電場對細胞的影響。
【專利說明】一種細胞位姿調節芯片、裝置和方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于生物【技術領域】，特別是涉及一種細胞位姿調節芯片、裝置和方法。

【背景技術】
[0002] 20世紀70年代興起的以基因（DNA)重組為核心的現代生物技術發展突飛猛進，已 成為人類解決畜牧業、農業、醫療保健等諸多問題的重要手段。細胞顯微注射技術是一種典 型的生物微操作技術，廣泛應用于卵胞漿內單精子顯微注射、胚胎切割及移植、原核注射和 克隆等領域。細胞內部結構與其形態具有對應關系，被操作細胞位置和姿態(合稱位姿）對 實驗效率和結果具有重要影響，實驗人員要求第一極體遠離注射針和吸持針的操作位置， 以減輕對紡錘體等細胞器的損傷。
[0003] 細胞位置調節的方法主要通過吸持管，光鑷，磁場，超聲波，微流體來移動細胞到 固定位置。其中，吸持管和光鑷需要在視覺下處理，而且激光對細胞有一定影響，不適合生 物實驗。而磁場法操作較為復雜，且磁場對生物細胞的影響尚未明。超聲波對細胞的損傷較 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胞姿態是隨意的，且吸附后姿態難以調整。
[0004] 細胞姿態調節方法分為機械接觸式位姿調節法和非接觸式位姿調節法。機械接觸 式位姿調節法對于操作者的經驗依賴度高，操作復雜且成功率低。非接觸式位姿調節法包 括激光法、電場法、磁場法、超聲波法、微流控法等，上述非接觸式細胞微操作技術具有可實 現細胞任意角度調節的優越性，但存在一個共同不足，不能為微注射針穿刺細胞膜提供穩 定支撐。其中，激光法通常需要搭建專用的激光發生及其輔助裝置，造價非常高，而且激動 對細胞有一定影響，因此難以推廣使用。電場法中，采用電場讓細胞在兩個正交面內分別旋 轉以此來實現細胞三維姿態調節，但在平臺的搭建和調試上將十分困難，限制了其實際的 應用。磁場法和超聲波法如上述所說，不適合生物實驗。微流體法細胞位姿調節技術是采 用流體運動產生的壓力、粘性力等驅動細胞運動的原理來進行來操作。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胞滾動，從而實現細胞姿 態的調節，接著通過吸持管固定后注射。該方法缺點是如果細胞的尺寸、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行重新調整甚至重新設計，對 此，華南理工大學對此進行了優化，通過使用音圈馬達控制微管伸縮調整，從而滿足不同尺 寸細胞的要求。但是，缺點仍然存在，位姿調節完成后，在進行后續操作前需要進行細胞的 吸持操作，這極易再次改變細胞已經調整好的方向，對后續操作較為不利。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于提供一種細胞位姿調節芯片、裝置和方法，以克服現有技術中 的不足。
[0006] 為實現上述目的，本發明提供如下技術方案： 本發明實施例公開了一種細胞位姿調節芯片，包括依次疊加的基底層、微通道層、電極 層和微流體腔層，所述電極層上開設有至少一個微孔，每個微孔的四周繞設有一個可以產 生負介電泳、行波介電泳和電旋轉介電泳的微電極，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 極的對應位置上形成有微槽。
[0007] 優選的，在上述的細胞位姿調節芯片中，所述每個微電極包括呈螺旋狀繞設于所 述微孔四周的四個信號電極。
[0008] 優選的，在上述的細胞位姿調節芯片中，所述微電極的中部圍成一中空區域。
[0009] 優選的，在上述的細胞位姿調節芯片中，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] 優選的，在上述的細胞位姿調節芯片中，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] 優選的，在上述的細胞位姿調節芯片中，所述信號電極遠離所述微孔的一端與模 擬開關連接。
[0012] 優選的，在上述的細胞位姿調節芯片中，所述電極層包括ΙΤ0玻璃以及形成于所 述ΙΤ0玻璃側邊的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 電線路連接于所述4個信號電極，所述模擬開關設置于所述PCB電路板上。
[0013] 本發明實施例還公開了一種細胞位姿調節裝置，包括： 細胞位姿調節芯片； 雙通道可同步信號發生器； 反相器，接收來自雙通道可同步信號發生器的正弦波，并將其分成0°、90°、180°和 270°的4路正弦波信號，然后輸送至細胞位姿調節芯片的微電極； 倒置的顯微鏡與CCD，采集細胞位姿調節芯片上細胞的圖像，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生器并控制其信號的輸出。
[0014] 優選的，在上述的細胞位姿調節裝置中，所述計算機還連接于模擬開關并控制其 通斷。
[0015] 本發明實施例還公開了一種細胞位姿的調節方法，包括： 采用負介電泳使得細胞懸浮； 采用行波介電泳使得細胞位置進行移動； 采用電旋轉介電對細胞的姿態進行調節。
[0016] 與現有技術相比，本發明的優點在于： 1)、利用行波介電泳實現細胞位置的快速調節(位置調節時間短，而且不需要視覺)，利 用電旋轉介電泳實現細胞姿態的快速調節。
[0017] 2 )、利用負介電泳時細胞遠離電極平面，大大降低電場對細胞的影響。
[0018] 3)、細胞姿態調整時候與微孔接觸，因而吸附時候不易改變細胞已經調整好的方 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胞，效率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術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 發明中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下， 還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0021] 圖1所示為本發明具體實施例中細胞位姿調節裝置的原理示意圖； 圖2所示為本發明具體實施例中細胞位姿調節芯片的結構示意圖； 圖3所示為本發明具體實施例中微流體腔層的結構示意圖； 圖4所示為本發明具體實施例中電極層的結構示意圖； 圖5所示為本發明具體實施例中微通道層的結構示意圖； 圖6所述為本發明具體實施例中微電極的結構示意圖； 圖7所示為本發明具體實施例中細胞運動的原理示意圖。

【具體實施方式】
[0022] 術語解釋： 位姿：位置和姿態。
[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象。包括，傳統介電 泳，行波介電泳，電旋轉介電泳。
[0024] PDMS : (Polydimethylsiloxane)作為一種高分子有機娃化合物。具有光學透明， 且在一般情況下，被認為是惰性，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等。
[0025] ΙΤ0玻璃：即氧化銦錫（Indium-Tin Oxide)透明導電膜玻璃，在超薄玻璃上濺射 氧化銦錫導電薄膜鍍層并經高溫退火處理得到的高技術產品。
[0026] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細的描 述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明 中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施 例，都屬于本發明保護的范圍。
[0027] 參圖1所示，細胞位姿調節裝置包括計算機1、雙通道可同步信號發生器2、反相器 3、細胞位姿調節芯片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生器2,控制信號輸出，輸出的正弦波經過反相 器3得到0°、90°、180°和270°的4路所需正弦波，細胞位姿調節芯片放置于倒置顯微 鏡上，通過(XD5采集圖像，經過視頻采集卡6,將數據反饋給計算機1。
[0029] 參圖2所示，細胞位姿調節芯片4包括依次疊加設置的基底層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，其材質優選為玻璃。
[0031] 參圖5所示，微通道層45形成于基底層46上，微通道層45的材質優選為有機玻 璃，其上表面上加工有微通道452,微通道452的數量優選設有獨立的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的邊緣上還設置有4個微管道 42,每個微通道452的兩端分別對應連通于一個微孔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的四周分別繞設有一個可以產生負介電泳、行波介電泳和電旋轉介 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域，該中空區域的直徑優選為180 μ m，其直徑大小可 以根據細胞直徑、電壓以及溶液等條件相應改變。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圍成上述的中空區域。優選的，每 個信號電極的寬度為2(Γ40 μ m，優選為30 μ m，相鄰兩個信號電極之間的間距為2(Γ40 μ m， 優選為30 μ m。
[0036] PCB電路板442上設置有四個信號輸入端4451、4452、4453和4454,以及2個模擬 開關444。該4個信號輸入端分別通過形成于PCB電路板上的導電線路對應連接于4個信 號電極。ΙΤ0玻璃441上電路與PCB電路板442通過導電膠鍵合。模擬開關444設置在信 號輸入端與微電極之間的電路上，模擬開關的控制端與計算機1相連，由計算機1控制開關 通斷。
[0037] 四個微電極相互獨立，且每個微電極通過模擬開關與信號輸入端連接，因此每個 微電極可以獨立實現對細胞的處理。
[0038] 易于想到的是，微電極還可以僅設置有1個或其他數量，本發明并不進行限制，相 應地，微孔以及微流道的數量與微電極數量對應改變。
[0039] 微流體腔層43形成于ΙΤ0玻璃441的上表面，其材質優選為PDMS，微流體腔層43 上對應四個微孔432的位置分別開設有4個貫穿其上下表面的微槽431，微槽431的直徑優 選為2mm，其直徑大小隨細胞直徑而定，且每個微槽431分別與對應的微孔432同心。
[0040] 上述細胞位姿調節裝置的工作原理如下： 計算機1與雙通道可同步信號發生器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444與計算機1相連，可以通斷每一路的信號。如圖7 所示，當微電極443通上信號后，細胞在負介電泳力作用下被排斥離電極平面，在一定高度 處，負介電泳力與重力平衡，細胞懸浮；同時，細胞在行波介電泳力作用下向著電極中心區 域移動；當到達中心區域后，由于中心區域間距較大（180μπι)，負介電泳力較小，細胞會沉 降到微孔432處(如果細胞沒有沉降到微孔，則由CCD5采集圖像，并經視頻采集卡6將數 據反饋給計算機1，然后計算機1控制信號發生器2降低輸出電壓，使得細胞沉降）；接著， 細胞在電旋轉介電泳作用下在水平面轉動，當細胞轉動到預定位置時候，控制模擬開關444 關閉該電極組信號，通過計算機1檢查位姿是否符合要求，如果不符合，則繼續接通信號， 如果符合要求，則開啟真空吸附轉置41吸附細胞。細胞固定，可以進行下一步的顯微注射。 而其余還未完成姿態調整的可以獨立繼續操作。
[0041] 綜上所述，本發明的細胞位姿調節芯片，利用行波介電泳實現細胞位置的快速調 節，利用電旋轉介電泳實現細胞姿態的快速調節(細胞姿態調整時候與微孔接觸，因而吸附 時候不易改變細胞已經調整好的方向）。利用負介電泳時細胞遠離電極平面，大大降低電場 對細胞的影響。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系術語僅僅用來將一個實 體或者操作與另一個實體或操作區分開來，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系或者順序。而且，術語"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、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0043] 以上所述僅是本發明的【具體實施方式】，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種細胞位姿調節芯片，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，所述電極層上開設有至少一個微孔，每個微孔的四周繞設有一個可以產生負 介電泳、行波介電泳和電旋轉介電泳的微電極，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 對應位置上形成有微槽。
2. 根據權利要求1所述的細胞位姿調節芯片，其特征在于：所述每個微電極包括呈螺 旋狀繞設于所述微孔四周的四個信號電極。
3. 根據權利要求2所述的細胞位姿調節芯片，其特征在于：所述微電極的中部圍成一 中空區域。
4. 根據權利要求2所示的細胞位姿調節芯片，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. 根據權利要求2所述的細胞位姿調節芯片，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. 根據權利要求2所述的細胞位姿調節芯片，其特征在于：所述信號電極遠離所述微 孔的一端與模擬開關連接。
7. 根據權利要求6所述的細胞位姿調節芯片，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 電路板上的導電線路連接于所述4個信號電極，所述模擬開關設置于所述PCB電路板上。
8. -種細胞位姿調節裝置，其特征在于，包括： 權利要求1至7任一所述的細胞位姿調節芯片； 雙通道可同步信號發生器； 反相器，接收來自雙通道可同步信號發生器的正弦波，并將其分成0°、90°、180°和 270°的4路正弦波信號，然后輸送至細胞位姿調節芯片的微電極； 倒置的顯微鏡與CCD，采集細胞位姿調節芯片上細胞的圖像，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生器并控制其信號的輸出。
9. 根據權利要求8所述的細胞位姿調節裝置，其特征在于：所述計算機還連接于模擬 開關并控制其通斷。
10. -種細胞位姿的調節方法，其特征在于，包括： 采用負介電泳使得細胞懸浮； 采用行波介電泳使得細胞位置進行移動； 采用電旋轉介電對細胞的姿態進行調節。
【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 優先權日:2014年7月31日
【發明者】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