高效细胞电融合芯片中的电场分析.pdf

维普资讯 第 36卷 分析化学 (FENXIHUAXUE) 研究报告 第5期 2008年 5月 ChineseJournalofAnalyticalChemistry 593—598 高效细胞 电融合芯片中的电场分析 曹 毅 杨 军 阴正勤 侯文生 郑小林 胡 宁 杨 静 许 蓉 张瑞强 (重庆大学生物工程学院，重庆 400030) (重庆城市管理职业学院电子信息工程系，重庆 400055) (第三军医大学附属西南医院眼科，重庆400038) 摘 要 细胞电融合芯片内的电场分布对细胞的控制及细胞融合效率有非常重要的意义，它是该类芯片设 计的主要因素。电场分布主要由芯片内微通道和微电极的结构决定。在一个新研制的融合芯片中，采用大量 微电极构成的阵列来提高融合效率。由于电极数量很多，微通道和微电极的结构和形状复杂，理论计算芯片 内部电场分布具有较大难度。利用 ANSYS有限元分析软件 ，对细胞电融合芯片中的电场分布进行模拟分析 ， 得到其强度分布及变化梯度。通过不同设计的对比分析，提出了更加适合于细胞 电融合的电极阵列结构模 型——矩形梳状交叉微电极阵列，为高效细胞电融合芯片的实现奠定了基础。在矩形梳状交叉微电极阵列原 型芯片的实验研究中，细胞融合 (植物原生质体融合)效率约为40％，超过 了传统的化学融合 (小于 1％)、电 融合 (小于 10％)，以及最初所采用的矩形对称梳状电极 (小于20％)。表明在该融合芯片上可以实现高效的 细胞电融合。 关键词 细胞融合，电融合，仿真，微电极，电击穿，有限元 1 引 言 细胞 电融合是现代生物工程技术的重要组成部分，它通过电场诱导，使两个异源细胞在离体条件下 相互接触，穿孑L，进而形成一个杂合细胞。细胞融合广泛应用于医疗卫生、现代农业等研究领域，包括单 克隆抗体制备、新物种产生或改 良等…。现在 ，细胞 电融合技术是细胞融合研究中最常用的手段。细 胞电融合通过几个连续的过程来实现：细胞在 电场中受到介 电泳力，相互接触形成珠串，该过程称为细 胞排队；高压电脉冲作用使细胞膜可逆击穿，两细胞内液通过穿孑L交换物质；细胞膜、细胞核融合形成一 个新 的细胞。 自从 Zimmermann 发明细胞电融合技术 以来，研究者们设计制作了各种各样 的细胞 电融合设备 及系统，并且其设备的研制逐渐从宏观走 向微观 J。早期的细胞 电融合设备中电极间距在毫米数量 级，随着微 电子技术工艺和MEMES制造技术的不断成熟和发展，现代细胞 电融合系统中电极间距已经 和细胞尺寸处在同一数量级H 。电极间距的减小，对融合电压的要求大大降低。而与细胞大小相当 的微结构更有利于细胞的有效操作和控制，也为建立细胞电融合芯片奠定了基础。 细胞电融合芯片研究的一个关键问题是芯片内部微通道和微电极的设计 ¨。芯片内的细胞 电融 合是依靠细胞在 电场作用下排列成队，进而通过穿孔而发生融合的。电场大小、分布和梯度等对细胞的 排队、融合及融合效率有较大影响。它们也受到微通道和微 电极形状、几何尺寸、排列等多方面的影响。 因此，设计合适的通道 ，特别是融合电极，对细胞 电融合芯片的研制具有重要意义。 此前的细胞融合芯片都采用单对 电极或者数 目不多的几对 电极，可 同时融合的细胞数量很少，效率 低，不能满足实际细胞融合研究的要求。本实验采用了大量微电极构成的阵列来同时控制多对细胞的 融合。这样，芯片中的电场分布情况远比原有的融合芯片复杂，对电极的设计和优化要求也更高。考虑 到用一般电磁场理论来直接描述该芯片中的电场分布非常困难，本实验采用有限元分析方法，利用有限 元软件ANSYS对细胞融合芯片微 电极周 围的电场进行了分析求解 ，得到了芯片内微通道及微 电极周围 电场分布及梯度变化情况，为微电极的设计方案提供 了基本理论 。在矩形梳状对称微电极结构模型研 2007-09-16收稿；2007-11-13接受 本文系国家 自然科学基金(Nos30770569)，国家