基于微流控的細胞操縱技術(shù).doc

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1、基于微流控的細胞操縱技術(shù)專業(yè)：集成電路工程課程：微型電子機械系統(tǒng)學號：2014021628姓名：老師：秦水介中國﹒貴州﹒貴陽2015年4月基于微流控的細胞操縱技術(shù)摘要：細胞操縱技術(shù)是目前細胞生物學、微系統(tǒng)科學及藥物篩選等學科交叉領(lǐng)域的一個研究熱點，能夠?qū)Σ煌N類的細胞進行有效的操縱，一直是學術(shù)界所面臨的重要問題。隨著微流體技術(shù)的不斷發(fā)展，微流體芯片正在越來越廣泛地應(yīng)用在細胞操縱的領(lǐng)域。本文從微流體的技術(shù)特點出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有的傳統(tǒng)細胞操縱技術(shù)，以及其與微流體技術(shù)的對比，對微流體在細胞操縱領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展作綜述性介紹關(guān)鍵詞：細胞操縱；微流控芯片；介電泳；免疫磁珠；光鑷引言細胞是生物體和生命活

2、動的基本單位，細胞操縱對于細胞結(jié)構(gòu)和功能的研究、生命活動規(guī)律和本質(zhì)的探索、疾病的診斷與治療、藥物的篩選與設(shè)計等都具有十分重要的意義。針對細胞研究應(yīng)用而生的細胞操縱技術(shù)一直是國內(nèi)外研究的熱點，其中包括諸如介電泳法、電阻抗法、免疫磁珠法、力學特性法等一系列有效方法。然而，現(xiàn)存的方法或儀器中，或多或少都存在著各種各樣的缺點。隨著微納米技術(shù)和微流體技術(shù)的發(fā)展，細胞操縱技術(shù)正在朝著更精細的操作方式發(fā)展。微流體是一種可以操作微量級至10-9到10-18升液體的微小器件，在微流體芯片上往往集成有許多細小的流道，以便液體通過以及進行操作。由于在微流控芯片中對于細胞的研究更接近細胞在體內(nèi)的真實狀態(tài)；同時

3、，微流控芯片具有分離效率高、分析速度快、分離模式多、所需樣品少、應(yīng)用范圍廣、自動化程度高等優(yōu)點。這一系列的優(yōu)點都使得它在時間和空間上為分子和細胞的分離、純化、分析提供了更好的方法。1細胞操縱技術(shù)難點及要求：歸納起來，對細胞操縱主要有如下要求：1)對細胞本身的傷害比較小，確保細胞的原生性狀；2)對細胞的分離精確，分離識別率高；3)所需要的細胞數(shù)目少，或者是在一種較大量的細胞中分離出較小量的細胞；4)成本低，操作簡便，易于臨床使用。2傳統(tǒng)細胞操縱方法類型方法概述細胞粘性利用細胞表面糖蛋白的變化進行檢測和分離化學方法免疫磁珠MACSMicrobeads特異性標記牽拉形變通過對細胞施加梯度切應(yīng)

4、力改變細胞遷移速度非電學物大小、體積不同細胞的基本物理屬性，圖像法判別理方法運動特性細胞在層流中的運動特性的不同密度梯度離心percoll連續(xù)密度梯度分離法流式細胞儀熒光標記法電學方法阻抗法高頻交流電下細胞阻抗的特異性介電泳介電常數(shù)較低的物體在非勻強電場中的受力現(xiàn)象3微流控細胞操縱技術(shù)3.1微流控技術(shù)簡介微流體系統(tǒng)是微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，是指能在微觀尺寸下實現(xiàn)對復雜流體的控制、操作和檢測的系統(tǒng)，包括微傳感器、微通道、微泵、微閥等元件，是微流控技術(shù)的核心部件。由于釆用微流體系統(tǒng)的控制單元可實現(xiàn)細胞探測物的原位分析，與傳統(tǒng)檢測方法相比，有更短的響應(yīng)時間，并且所用的待測細

5、胞溶液與反應(yīng)試劑用量更低，現(xiàn)已成為用于細胞狀態(tài)分析、基因研究、藥物蹄選等方面研究非常重要的一種分析手段。此外，由于在現(xiàn)有技術(shù)水平下的微流道尺寸與細胞的特征尺寸有良好的相容性，可利用微流體系統(tǒng)高度模擬及還原一個體內(nèi)細胞生存的微環(huán)境，這大大提高了細胞探測的準確度和可靠性。因此，微流體系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)對研究細胞形態(tài)及疾病病理研究有重要的現(xiàn)實意義，成為細胞及單細胞實時檢測的新研究方向。3.2微流體運動的主要限制因素在MEMS結(jié)構(gòu)器件中，牛頓力學理論仍適用于多個物理場分析中，然而隨著尺寸的縮小，宏觀與微觀領(lǐng)域的物理規(guī)律卻不盡相同，使影響宏觀系統(tǒng)中比較重要的參數(shù)、物理性質(zhì)在微觀領(lǐng)域不再是主導因素，

6、其影響因素的相對重要性在兩種領(lǐng)域發(fā)生了變化。從而在微尺度下，微流體系統(tǒng)的特性與宏觀情況下相差甚遠。下面總結(jié)了幾點影響微流體流動的主要限制因素。3.2.1尺度效應(yīng)在微流體系統(tǒng)中,作用于流體上的力不再是宏觀物理現(xiàn)象中的長度等特征因素，而是體積力與表面力。隨著尺度的減小，微流體的體積不斷縮小，起主導作用的體積力變換為表面力，在表面力作用不斷加強的情況下，表面力將起主要作用，在微小機械器件中，這一特性可能會使流體的連續(xù)性幾乎完全失效。從而導致了作用于宏觀和微觀系統(tǒng)的各影響因素對流體產(chǎn)生的影響程度主次排列順序會有較大差異，如受幾何力而產(chǎn)生的尺寸和形狀變化、材料的物理特性、幾何結(jié)構(gòu)的變化等因素的影

7、響程度會在不同情況下發(fā)生變化，從而使所運用的物理規(guī)律也就不同。3.2.2表面張力液體表面的分子受氣體分子的作用，有向內(nèi)部收縮的趨勢，從而表現(xiàn)出表面張力特性，表面張力的大小用表面張力系數(shù)表示，在宏觀條件下，通?？梢院雎圆挥?，但在微觀條件下，表面張力是一個重要影響因素。以水在毛細管流動為例，當毛細管中進入一個氣泡，為了使水能沿毛細管流動，需施加壓強(指克服沿程損失所需施加的壓強，不包括在出口處的凈壓強)，當氣泡在毛細管運動時，產(chǎn)生的兩個表面張力水平