论文摘要
压电细胞传感器（Pizeozelectric Cell-based Sensor）是以生活细胞作为传感元件,通过检测生活细胞的基本功能信息,细胞对化合物的响应等,实时、定量地确定细胞的生活状态和被分析物性质的技术。由于具有实时、原位、批量检测以及低成本检测等独特优点,因此已成为生命科学和环境科学以及医疗科学领域必不可少的工具。细胞粘弹性是与细胞运动和变形能力有关的重要的生物物理特性,它是指细胞不但具有液体的粘滞性,在流动过程中要克服内摩擦而必须消耗能量,而且还具有固体的弹性特征。它的改变较大地影响了细胞的侵袭、转移和细胞及其所在微环境之间的交互作用。因此,利用压电细胞传感器技术来研究细胞粘弹性有着十分重要意义。研究目的:构建新型的压电细胞传感器能耗检测（Piezoelectric Cell-based Sensor Dissipation,PCSD）技术平台,并以该平台为基础,在理论和实验方面阐明细胞粘附的压电传感声阻抗响应特性;以细胞作为传感元件,探索此技术平台在细胞-基底相互作用、细胞-药物相互作用、细胞粘弹性以及药物筛选等初步应用。此研究开创了细胞粘弹性和药物筛选的压电传感能耗检测方法,也为其应用提供了有力的理论基础,同时也对细胞生物学领域做了有益的探索。研究方法:将压电传感技术、瞬时损耗技术和体外细胞培养技术结合进行压电细胞传感能耗检测平台的构建;在性能测试过程中则是利用PCSD系统的实时分析技术实时动态监测细胞与基底间、细胞与药物间相互作用的力学行为信息,并结合倒置显微镜和扫描电子显微镜（SEM）进行细胞行为的形貌观察;应用研究则利用PCSD系统的实时分析技术与噻唑蓝比色分析（MTT）和荧光显微技术等传统的生物学方法进行同步实验的比较分析。研究结果:①结合细胞粘附的特性和压电传感器多层复合模型,并引入压电传感响应与负载声学参数的关系,即:Δf/f=Im（ZL）/πZcq和ΔD=Re（ZL）/πZcq,建立起细胞粘附模型的压电传感响应声阻抗理论;在传感器透深范围内,对细胞粘附体系中各层的声阻抗方程进行近似求解,并对细胞粘附引起的传感响应进行分析。②构建了压电细胞传感能耗检测技术平台,并进行系统性能的稳定性、重现性测试,获得气相介质中谐振频率和耗散因子的稳定性为0.32±0.13 Hz·min-1、0.13±0.02×10-7和液相介质中谐振频率和耗散因子的稳定性为0.29±0.09Hz·min-1、5.21±0.14×10-7;获得相对标准偏差为6.55×10-7的最佳容积范围的信号重现性。③利用PCSD对人脐静脉内皮细胞HUEVC、人肝癌细胞HepG2的粘附行为进行了24h实时跟踪监测,比较了正常细胞与肿瘤细胞的压电传感响应差异;用EGTA分离出细胞单层、EDTA分离残留在芯片表面的细胞外基质,对细胞与基底的相互作用以及介质的浓度对细胞粘附的影响进行了分析,进一步验证了细胞粘附的分层模型;结合细胞体系各阻抗方程近似解在物理意义上分析细胞行为的压电传感响应。④构建了以人肝癌细胞HepG2为传感元件的PCSD,应用于药物筛选的初探,对紫杉醇（Pacitaxel,PTX）、长春新碱（Vincristine,VCR）和阿霉素（Adriamycin,ADM）3种药物与HepG2细胞的相互作用和药效进行了跟踪检测,得到药物对细胞骨架作用的强弱排序为PTX>VCR>ADM。同步对各种药物的药效进行了MTT比色分析和形貌观察,得到抑制HepG2细胞生长能力强弱排序为PTX>ADM>VCR。这种差异反映了PCSD对细胞粘附行为检测的灵敏度,即作用于细胞骨架,从而影响细胞的粘附行为的药物更适合于PCSD的检测研究。上述研究结果的取得,为利用压电细胞传感能耗检测技术进行细胞研究提供了有力的理论指导;特别是对肿瘤细胞的研究,为抗癌药物的筛选提供了坚实的实验基础;通过细胞粘附模型压电传感响应声阻抗理论的建立,也为细胞水平大量信息的获取打开了方便之门,压电细胞传感能耗检测技术必将以其独有的优势得到更为广泛的应用。