基于雙極性電極陣列的微流控芯片，可實現細胞可控、非接觸三維旋轉

細胞的精確旋轉在單細胞分析、藥物發現和生物體分析等多個領域都具有重要意義。通過細胞的三維旋轉，將有助于發現隱藏的遺傳和結構細節，在顯微手術、小生物表型和篩選中至關重要。然而，傳統機械操作方法會對細胞產生不可逆的物理損傷，影響細胞活力，因此非接觸式操作方法在遠程控制、無污染等方面具有顯著的優勢。

目前常用的無接觸式細胞操控方法主要依靠電場、光場、聲場和磁場等。光場操控通常需要一個比較大的光強，會對細胞產生不可逆的損傷，并且缺乏可選擇性；磁場操控通常需要對細胞進行標記，并且標記很難去除；聲場操控需要頻繁改變電極和通道的結構，效率較低。因此，電場操控方法因其方便、成本低、效率高而被廣泛接受。

通常情況下，電場操控主要依靠介電泳力（DEP）和電旋轉力矩（ROT）誘導細胞轉動，然而目前依賴于DEP和ROT的方法，通常需要一個復雜的電極結構（如三維電極），并且通量十分有限。

為解決上述問題，近日，西北工業大學黃維院士、王學文教授、吳玉潘副教授帶領研究團隊設計了一種基于雙極性電極陣列（BPE）的微流控芯片，使細胞在介電泳力（DEP）、電旋轉力矩（ROT）和電滲流（ICEO）的綜合作用下進行可控的三維旋轉，并進一步利用平面內旋轉的旋轉譜提取了細胞介電特性，為不同種類細胞的可控、非接觸和精確旋轉提供了一種靈活、高通量和無損的方法。相關研究成果以“Three-Dimensional Rotation of Deformable Cells at a Bipolar Electrode Array Using a Rotating Electric Field”為題，發表在英國皇家化學會期刊Lab on a Chip上。

圖1細胞三維旋轉的工作機理及微流控芯片結構示意圖

該微流控裝置利用四個ITO電極產生旋轉電場，并在中心的雙極性電極陣列上誘導產生DEP、ROT和ICEO渦流，通過對施加信號的頻率調節，可以實現細胞繞X軸、Y軸和Z軸的三維旋轉。

該研究選用酵母菌細胞和K562細胞，在高頻信號作用下，細胞受到DEP和ROT的主導作用進行平面內旋轉，根據兩種細胞的CM因子及電旋轉力矩的仿真結果，通過調整施加信號的頻率，可隨意調節細胞的旋轉速度和方向；在低頻信號作用下，細胞受到ICEO的主導作用并陷入ICEO渦流在電極邊緣發生平面外旋轉。

在旋轉電場的作用下，細胞在電極邊緣受到行波介電泳力（twDEP）的作用，從而繞著電極邊緣進行平面內旋轉，細胞的旋轉方向和速度均可通過改變施加信號的頻率來調節。因此基于twDEP和ICEO，本工作提出一種細胞的精確旋轉方法，使細胞在雙極性電極的任意位置進行平外面旋轉。首先施加一個高頻信號，使細胞在cDEP和twDEP的綜合作用下繞電極邊緣進行平面內旋轉，當細胞運動到指定位置時，立刻將信號切換為低頻信號，細胞便會在指定位置陷入ICEO渦流發生平面外旋轉。這可以作為一種簡單無害的方法來穩定地捕獲細胞，并使細胞不依賴于自身特性進行平面外旋轉，有利于細胞的三維成像。

圖2 酵母菌細胞的可控三維旋轉



圖3 K562細胞的可控三維旋轉

基于酵母菌細胞和K562細胞的面內轉速與自身電學參數的關系，該研究最后利用實驗中測出的細胞面內轉速在MATLAB中擬合出了細胞質電導率及細胞膜介電常數，并利用擬合出的電學參數重新繪制了兩種細胞的CM因子，擬合結果和現有文獻報道數據非常接近。

總體而言，ICEO與DEP結合具有無損、靈活操縱細胞的優越能力。無線雙極性電極陣列的使用消除了對復雜電極結構設計和制造過程的需要，擴大了操作區域，并允許以預定的方式進行單個或多個細胞的非接觸和高精度旋轉。本方法不僅可以從任意角度觀察三維細胞，而且在研究細胞特性、藥物發現和顯微手術方面具有巨大的潛力，在生物工程、醫學和細胞生物學等領域具有重要的價值。

審核編輯：劉清