一种基于MEMS和细胞电场效应的细胞融合方法的研究

论文摘要

细胞融合是细胞工程最基本的核心技术之一,是细胞工程研究的重要内容。细胞融合技术已逐步从动物细胞的融合扩展到植物细胞、微生物细胞,甚至真菌的融合,导致了细胞工程技术的新突破。尽管细胞融合技术已经取得了长足进展,但仍然存在着诸多问题。针对目前正在使用的细胞融合技术的不足,本论文研究了一种微型化、可视化、集成化程度高、低成本、不会对细胞产生毒害作用、低电压驱动的细胞融合方法,并研究了与之密切相关的电介质电泳效应。这些研究工作对于发展细胞融合的相关理论和技术具有积极的作用,是在国内具有开拓性和创新性的工作。本论文的主要研究内容如下:（1）本论文应用细胞工程中的细胞融合理论、电介质物理理论、电场对细胞的作用理论,结合MEMS（Micro Electro Mechanical systems,微机电系统）技术,研究了一种新型的细胞融合方法。设计并制作完成一种基于MEMS技术和细胞电场效应的、可用于细胞融合的新型芯片——细胞电场效应融合芯片（Cell in Electrical-field Fusion Microchip,CEFM）。在理论分析和实验研究的基础上,并充分参考细胞融合电场诱导法中的相关技术参数,确定了芯片工作的电学条件。设计、制作完成驱动芯片工作的外围电路子系统,驱动细胞电场效应融合芯片正常工作。（2）根据电介质物理理论和电场理论,在具体研究中特别注意了细胞的电场效应,研究了与CEFM密切相关的细胞电介质电泳效应,构建了细胞在CEFM中的电场效应模型（包括CEFM中悬浮液细胞的电学模型、CEFM中悬浮液细胞的电偶极子模型等）。并在理论分析基础之上,结合细胞电场效应融合芯片的研究进行了相关实验研究。相关工作成果指导了细胞融合芯片及其驱动电路的研制,这部分内容的理论分析与实验研究是CEFM相关研究的第一环节,也是CEFM相关研究中的基础研究环节。本论文取得了以下主要研究结果:（1）在关于细胞融合芯片中细胞排队方法的研究中,本论文先后研究了基于MEMS的微小室阵列和微电极阵列两种细胞融合芯片的设计思路和方案,并通过实验验证了微电极阵列细胞融合芯片的可行性;（2）根据霍奇金-赫克利斯模型利用类比分析法构建起CEFM中悬浮液细胞的电学模型,从电介质物理Maxwell-Wagner的界面极化理论出发,构建了CEFM中悬浮液细胞的电偶极子模型。并进一步构建了CEFM细胞悬浮液中细胞的介电

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 细胞融合的基本概念及其研究意义
• 1.2.1 细胞融合的概念
• 1.2.2 细胞融合研究的意义
• 1.3 细胞融合电场诱导技术
• 1.3.1 细胞电融合技术的发展
• 1.3.2 细胞电融合技术的原理
• 1.3.3 细胞电融合技术的扩展
• 1.3.4 细胞电融合技术的应用
• 1.3.5 细胞电融合技术的优缺点
• 1.4 其它细胞融合技术
• 1.4.1 细胞融合生物诱导法
• 1.4.2 细胞融合化学诱导技术
• 1.4.3 细胞融合激光诱导法
• 1.5 对目前细胞融合技术的综合分析及问题的提出
• 1.6 本论文的研究内容
• 1.6.1 CEFM 的研制及外围电路子系统的设计制作
• 1.6.2 基于CEFM 的细胞电介质电泳效应研究
• 1.6.3 本论文的研究方案及所遵循的技术路线
• 1.7 本论文的研究目标
• 1.8 本文的研究意义
• 1.8.1 关于细胞电场效应融合芯片（CEFM）的研究意义
• 1.8.2 关于CEFM 中细胞电介质电泳效应的理论研究意义
• 2 关于细胞融合芯片中细胞排队方法的研究
• 2.1 细胞融合过程的分析及问题的提出
• 2.1.1 细胞相互接触（细胞排对）
• 2.1.2 细胞膜穿孔
• 2.1.3 质膜连接
• 2.1.4 细胞融合芯片中细胞排队问题的提出
• 2.2 基于MEMS 的微小室阵列细胞融合芯片的设计思路和方案
• 2.2.1 微小室阵列细胞融合芯片的设计
• 2.2.2 微小室阵列细胞融合方案的微流路和微压力控制子系统的设计
• 2.2.3 微小室阵列细胞融合芯片的设计方案的综合评价
• 2.3 基于MEMS 的微电极阵列细胞融合芯片的设计思路和方案
• 2.3.1 微电极阵列中悬浮细胞的电场效应
• 2.3.2 CEFM 微电极阵列拟采用的电场效应
• 2.4 利用电极（阵列）实现细胞定向迁移的验证实验
• 2.4.1 实验目的
• 2.4.2 细胞的选取与培养操作
• 2.4.3 实验材料和仪器
• 2.4.4 计算
• 2.4.5 实验方法
• 2.4.6 实验一（SMMC-7721 细胞的定向迁移实验）的结果
• 2.4.7 实验二（HepG2 细胞的定向迁移实验）的结果
• 2.4.8 实验三（鱼卵细胞的定向迁移实验）的结果与讨论
• 2.4.9 实验讨论
• 2.5 本章小结
• 3 悬浮细胞在微电极中的理论模型与实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 构建CEFM 内悬浮液细胞的电学模型
• 3.2.1 CEFM 内悬浮液细胞的电学基本模型
• 3.2.2 CEFM 内悬浮液细胞的电偶极子模型
• 3.3 碳纤维微电极小室的电场效应实验
• 3.3.1 微电极的制作
• 3.3.2 实验仪器和材料
• 3.3.3 计算
• 3.3.4 实验过程
• 3.4 实验结果及其分析
• 3.4.1 DC 作用下的实验结果及细胞的电泳效应的分析
• 3.4.2 AC 作用下的实验结果及其初步分析
• 3.4.3 讨论
• 3.5 CEFM 细胞悬浮液中细胞的介电模型
• 3.5.1 CEFM 内复介电系数和复电导率的定义及表达式推导
• 3.5.2 CEFM 细胞悬浮液中细胞的介电特性
• 3.5.3 CEFM 细胞悬浮液中细胞介电特性的德拜（Debye）表示
• 3.6 CEFM 内细胞悬浮液的细胞电介质电泳效应模型
• 3.6.1 CEFM 内单细胞电介质电泳效应模型
• 3.6.2 CEFM 内多细胞电介质电泳效应模型
• 3.6.3 CEFM 内细胞悬浮液的电介质电泳频谱分析
• 3.7 碳纤维微电极小室实验中AC 电场效应的分析
• 3.7.1 碳纤维微电极小室实验中细胞的介电特性
• 3.7.2 碳纤维微电极小室实验中细胞的的电介质电泳频谱分析
• 3.7.3 极化作用系数与细胞悬浮液电导率的相关性研究
• 3.8 基于CEFM 的细胞的定向迁移方式的比较与选择
• 3.9 本章小结
• 4 关于细胞电场效应融合芯片的研究
• 4.1 引言
• 4.2 微电极的设计原理
• 4.3 三维微电极阵列细胞电场效应融合芯片
• 4.3.1 三维微电极阵列细胞电场效应融合芯片设计及加工
• 4.3.2 系统构建
• 4.3.3 三维微电极阵列细胞电场效应融合芯片的加工难度
• 4.4 二维微电极阵列细胞电场效应融合芯片
• 4.4.1 芯片的结构设计概述
• 4.4.2 芯片结构设计的技术细节
• 4.4.3 细胞电场效应融合芯片结构设计的具体实施方式
• 4.4.4 小结
• 4.5 基于CONVENTOR WARE 的细胞电场效应融合芯片设计
• 4.5.1 细胞电场效应融合芯片的版图设计
• 4.5.2 CEFM 的三维建模及电荷电场仿真
• 4.6 基于MEMS 的细胞电场效应融合芯片的微加工制造
• 4.6.1 芯片SOI 材料选择的分析与制备
• 4.6.2 基于SOI 材料的芯片体微加工
• 4.6.3 出片
• 4.6.4 引线及封装
• 4.7 CEFM 中微电极电场强度理论研究
• 4.8 本章小结
• 5 关于细胞电场效应融合芯片的电学研究
• 5.1 引言
• 5.2 驱动细胞电场效应融合芯片工作的电学信号
• 5.3 关于驱动CEFM 细胞排队信号的研究
• 5.3.1 细胞排队信号的波形
• 5.3.2 细胞排队信号的频率
• 5.3.3 细胞排队信号的幅度
• 5.3.4 细胞排队信号的持续时间
• 5.3.5 小结
• 5.4 关于驱动CEFM 细胞穿孔信号的研究
• 5.4.1 细胞电穿孔信号的波形
• 5.4.2 CEFM 内细胞在电穿孔信号作用下的界面极化
• 5.4.3 跨膜电位与细胞形状、大小的关系
• 5.4.4 电导率因子
• 5.4.5 细胞膜瞬时可逆性电穿孔的临界电压
• 5.4.6 细胞穿孔信号的波形幅度
• 5.4.7 细胞穿孔信号的脉冲宽度和持续时间
• 5.4.8 小结
• 5.4.9 驱动信号的改进及负载匹配
• 5.4.10 负载匹配
• 5.4.11 结论
• 5.5 CEFM 驱动信号的实现方式
• 5.5.1 利用函数信号发生器产生CEFM 的驱动信号
• 5.5.2 利用虚拟仪器产生CEFM 的驱动信号
• 5.5.3 利用高频函数芯片产生CEFM 的驱动信号
• 5.6 细胞电场效应融合仪的电路设计
• 5.6.1 控制电路
• 5.6.2 智能化宽频带函数信号发生芯片电路
• 5.6.3 D/A 转换模块
• 5.6.4 波形调制电路
• 5.6.5 放大电路
• 5.6.6 显示模块
• 5.6.7 硬件设计中应注意的问题
• 5.7 细胞电场效应融合仪的软件设计
• 5.7.1 设计规则及总体程序设计
• 5.7.2 参数设置模块设计
• 5.7.3 信号调频模块设计
• 5.7.4 信号调制模块设计
• 5.7.5 时间调节模块设计
• 5.7.6 LED 显示模块设计
• 5.8 细胞电场效应融合仪的性能检测
• 5.8.1 总体样机
• 5.8.2 细胞电场效应融合仪的整体信号的检测
• 5.8.3 排队信号的检测
• 5.8.4 脉冲信号的检测
• 5.8.5 加负载后的信号的检测
• 5.8.6 复位后信号的检测
• 5.8.7 小结
• 5.9 本章小结
• 6 基于CEFM 的实验研究
• 6.1 基于CEFM 的细胞融合的实验
• 6.1.1 基于CEFM 的细胞融合实验平台的建立
• 6.1.2 关于细胞融合缓冲液电导率的确定
• 6.1.3 实验仪器和材料
• 6.1.4 实验方法
• 6.2 基于CEFM 中SMMC-7721 细胞电介质电泳的实验
• 6.2.1 实验结果
• 6.2.2 关于SMMC-7721 细胞密度的数据分析
• 6.2.3 细胞的极化作用系数K 值的测定
• 6.2.4 CEFM 中SMMC-7721 细胞电介质电泳频谱的测定及其分析
• 6.2.5 实验中出现的问题及解决办法
• 6.3 基于CEFM 中7721 细胞膜瞬时可逆性电穿孔的实验研究
• 6.3.1 实验结果
• 6.3.2 CEFM 内SMMC-7721 的跨膜电位
• 6.3.3 界面极化及膜穿孔的临界电压
• 6.4 本章小结
• 7 结语与展望
• 7.1 本论文取得的进展
• 7.2 论文的创新之处
• 7.3 论文研究工作的不足之处
• 7.4 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A：细胞介电质电泳融合芯片的科技查新报告
• 附录B 作者攻读博士学位期间发表的论文及参加科研情况