CN102135525B

CN102135525B - 压电调制与传感单细胞力学分析装置及方法

Info

Publication number: CN102135525B
Application number: CN 201010617641
Authority: CN
Inventors: 韦晓兰; 单振秀
Original assignee: Chongqing Technology and Business University
Current assignee: Chongqing Technology and Business University
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: CN102135525A

Abstract

本发明提供一种压电调制与传感单细胞力学动态分析装置，包括压电芯片、检测池、控制与检测系统，其特征在于，压电芯片封装于检测池内，通过控制与检测系统进行压电调制与传感单细胞力学动态分析；压电芯片由压电薄片及其表面分布的至少一组电极对构成，一组电极对与压电薄片构成一压电谐振器，电极对中包含至少一个面积与单个细胞适配、表面经化学修饰的微电极；单个细胞通过粘附自然固定在化学修饰的微电极上，通过控制与检测系统，使该微电极产生振动，并与粘附细胞相互作用，从而同步实现单细胞力学的动态调制与实时传感。本发明旨在解决在单细胞力学技术中存在细胞力学调制和监测困难的问题，并具有不存在非力学干扰、简便灵活、高通量的特点，可在细胞层面上、在时间和空间上发现细胞的生物力学特性，适合于生物力学、组织工程、药物筛选、临床医学等广泛领域应用。

Description

压电调制与传感单细胞力学分析装置及方法

技术领域

本发明涉及生物分析技术领域，是一种单细胞力学动态分析的芯片。

背景技术

细胞作为生命体的基本单元，不断与其环境（包括细胞外基质与介质）相互作用，这种相互作用使细胞始终处在化学和力学动态变化的环境中，并对细胞的生长、增殖、分化、凋亡和迁移等生命活动产生重要影响。另一方面，细胞活动的一个重要表现就是细胞产生力学变化，同时细胞的力学变化又进一步调控细胞活动。因此，细胞如何感应环境的化学和力学刺激并将其转换为力学信号、调控细胞活动，即细胞力学，构成了生命活动的基本问题之一。细胞力学技术作为支撑平台，其发展推动着对这一基本问题的认识不断深入，为改善人类健康发挥着日益重要的作用。

传统的细胞力学检测是在固定时间点静态地获取集团细胞的平均行为结果，不能得到单个细胞随周围环境、粘附迁移等活动变化的力学动态信息，已远不能满足现代细胞力学研究与应用的需要。在单细胞水平上，对细胞施加力学刺激并实时监测细胞的力学变化，已成为现代细胞力学技术的主要目标（参见Discher D, et al. Biomechanics: Cell Research and Applications for the Next Decade. Annals of Biomedical Engineering, 2009, 37: 847–859）。

现代细胞力学技术始于微管吸吮技术(MAT)的发明，其核心是利用微管负压调制外力，对微管吸持的单细胞进行粘附强度测试。MAT经过二十多年的发展，已建立起较为成熟的测试系统与理论模型，力的精度可达几个皮牛顿（10^-12 N），在细胞和分子生物力学分析中得到广泛应用（参见Addae-Mensah KA, Wikswo JP. Measurement techniques for cellular biomechanics in vitro. Experimental Biology and Medicine, 2008, 233: 792–809）。

近年来，利用光镊、磁镊和原子力显微镜(AFM)等精密手段，通过细胞表面固定力学探针，可施加或测量小至几个飞牛顿（10^-15N）的力，并能检测几个纳米的微小尺度变化，正成为细胞力学检测的重要手段，并获得了多项重要科学发现（参见Neuman KC, Nagy A. Single-molecule force spectroscopy: optical tweezers, magnetic tweezers and atomic force microscopy. Nature Methods, 2008, 5: 491–505）。如采用基于AFM的单细胞力谱技术，实现了细胞粘附单个受体-配体键强度的测量（参见Helenius J, et al. Single-cell force spectroscopy. Journal of Cell Science, 2008, 121: 1785-1791）；采用基于微磁珠的磁扭细胞测量技术，探测到细胞在受到外加短暂拉伸后其力学和动力学行为的改变过程，揭示了一系列新颖的细胞力学行为（参见Trepat X, et al. Universal physical responses to stretch in the living cell. Nature, 2007, 447: 592-595）。

同时，传感器芯片技术也开始应用于细胞力学分析平台的构建，光学、电学、压电等传感器技术可简便、高效地实现对细胞物理性质的检测，在细胞力学分析中已崭露头角。其中，利用石英振动的压电谐振器(亦称石英晶体微天平, QCM) 与光学、电学传感器不同，可实时监测表面负载的力学性质、直接用于力学传感，在细胞力学检测中具有独特优势（参见Heitmann V, et al. The quartz crystal microbalance in cell biology: basics and applications. Springer Series on Chemical Sensors and Biosensors, 2007, 5: 303–338），取得了许多重要进展，揭示了多种细胞（如内皮细胞、肿瘤细胞等)在多种表面(如金属、蛋白质等)的粘附及其力学性质（如粘弹性）的变化特征（参见Lord MS, et al. Extracellular matrix remodelling during cell adhesion monitored by the quartz crystal microbalance. Biomaterials, 2008, 29: 2581–2587），建立了压电谐振器对细胞力学传感的机电耦合模型（参见韦晓兰等. 细胞粘附的压电传感响应机制分析. 生物物理学报, 2006, 22: 225-231），并已初步应用于与细胞粘附性相关的药物筛选研究（参见Wei XL, et al. Disruption of HepG2 cell adhesion by gold nanoparticle and Paclitaxel disclosed by in-situ QCM measurement. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2007, 59: 100-105）。

单细胞力学动态分析存在两个技术瓶颈：一是对单细胞进行力学刺激即力学调制；二是在对细胞进行力学调制的同时实时监测细胞的力学性质。在这两个难点上，现有细胞力学技术还存在明显不足。如以AFM、磁扭测量为代表的精密检测手段，需在细胞表面固定力学探针，引入的非力学作用将使力学检测存在偏差。而且更重要的是，现有技术装置精密、方法复杂，难以实现高通量的细胞力学分析，制约了其在临床诊断、药物筛选等领域的推广应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有细胞力学技术存在的上述问题，提供一种压电调制与传感单细胞力学动态分析装置，可对单细胞进行力学动态调制，并同步实时传感细胞的力学性质，并具有不存在非力学干扰、简便灵活、高通量等特点，适用于生物力学、组织工程、药物筛选、临床医学等领域。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

所述压电调制与传感单细胞力学动态分析装置包含压电芯片、检测池以及控制与检测系统。上述压电芯片由压电薄片与薄片表面的至少一组电极对构成，压电薄片由具有压电性的材料制成，电极对是在压电薄片的两面或一面，采用通常的薄膜制备和微细加工方法，制作出的两个导电薄膜图形，其中至少一个导电薄膜图形是微图形即微电极，其大小与单个细胞的大小相适配，并用生物相容性材料化学修饰微电极表面，压电薄片与其表面的一组电极对构成一个压电谐振器，一个压电芯片包含至少一个压电谐振器。上述检测池包括基座、弹性垫圈和封盖，均由绝缘的惰性材料制成，所述基座中央形成有容纳压电芯片和细胞溶液的下凹空腔，所述压电芯片的两面设置弹性垫圈，位于下凹空腔内，并通过封盖与基座扣合，将压电芯片夹紧固定，所述封盖上的溶液出入口与所述下凹空腔相通。上述控制与检测系统包括工作电路、电压扫描器、电学测量仪和个人计算机；压电芯片上的压电谐振器与工作电路相连使其谐振，由电压扫描器控制其工作电压，由电学测量仪检测其谐振信号，并由计算机进行压电谐振器的程序控制及其信号采集和数据分析。

使用本装置时，采用通常的流体控制方法导入细胞溶液，细胞通过粘附自然固定在压电谐振器的化学修饰微电极表面，并通过限制微电极的表面积大小使其只能粘附上一个细胞，通入细胞测试缓冲液，并冲洗出未粘附的多余细胞；然后通过控制与检测系统控制使微电极产生振动，并与粘附细胞相互作用，通过电压扫描方法和电学测量方法，同步进行单细胞力学的动态调制与实时传感；最后采用机电耦合模型和数学方法，解析微电极振动与粘附细胞的作用力、以及谐振信号变化与细胞力学参数的函数关系，获取细胞力学性质与力学调制的动态关系，从而实现单细胞力学动态分析。

本发明与已有细胞力学技术相比具有以下优点和效果：

1、本发明压电调制与传感单细胞力学动态分析装置，细胞通过粘附自然固定在压电芯片微电极表面，无需引入力学探针，具有不存在非力学干扰的优点；

2、本发明压电调制与传感单细胞力学动态分析装置，使用常规的工作电路、电压扫描器、电学测量仪和个人计算机，无需大型精密的控制与测量设备，具有装置简单、方法简便的优点；

3、本发明压电调制与传感单细胞力学动态分析装置，可在压电芯片上制作压电谐振器阵列，实现高通量的单细胞力学动态分析。

本发明实现了细胞力学的同步调制与传感，适用于检测、研究力学环境对细胞的调控作用，在生命科学、组织工程、新药发现、临床医学等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的一种压电调制与传感单细胞力学动态分析装置示意图；

图2A是本发明的一种压电调制与传感单细胞力学动态分析装置的压电芯片示意图；

图2B是本发明的另一种压电调制与传感单细胞力学动态分析装置的压电芯片示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步地说明，但本发明不限于附图所示实施例。

压电调制与传感单细胞力学动态分析装置如图1所示，由压电芯片、检测池、控制与检测系统构成。

上述的压电芯片如图2所示，由一直径5~10 mm的圆形压电薄片1与至少一组电极对21、22构成。压电薄片1是由具有压电性的材料如石英、钽酸锂、锆钛酸铅、偏聚氟乙烯等无机或有机材料以及两者混合的复合材料制成。电极对是在压电薄片的两面（见图2A）或一面（见图2B），采用通常的导电材料以及通常的薄膜制备和微细加工方法，制作出的厚0.1～10 mm的两个导电薄膜图形，其中至少一个导电薄膜图形是面积为100~500 mm²的微图形即微电极22，并采用通常的生物相容性材料如脂质体、蛋白质等和通常的修饰方法，进行表面化学修饰；压电薄片与其表面的一组电极对形成一个压电谐振器，一个压电芯片包含至少一个压电谐振器。

上述的检测池如图1所示，由一基座2、两弹性垫圈3和一封盖4构成，它们均由绝缘的惰性材料如玻璃、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、硅橡胶等无机或有机材料制成；基座是一圆形柱台，内有采用通常的机械加工方法制作出的深5~10 mm、直径6~11 mm的适合容纳压电芯片和细胞溶液的园孔状下凹空腔；弹性垫圈是具有良好弹性的、内孔直径略小于压电芯片1直径的细线圈，位于压电芯片1两面；封盖是直径与基座内孔一致的圆形塞，有采用通常的机械加工方法，制作出的直径0.5~1 mm的两个溶液出入口5；基座与封盖两者可用螺纹丝扣的方式紧密吻合，将压电芯片1通过弹性垫圈3固定在基座内的下凹空腔中，封装在检测池内。

上述的控制与检测系统如图1所示，由工作电路6、电压扫描器7、电学测量仪8和个人计算机9构成。工作电路与压电芯片上的压电谐振器相连，使压电谐振器产生谐振；电压扫描器与工作电路连接，控制压电谐振器的工作电压；电学测量仪与工作电路连接，测量压电谐振器的谐振信号；计算机分别与工作电路、电压扫描器、电学测量仪连接，进行压电谐振器的程序控制及其信号采集和数据分析。

其中，工作电路6是通常的压电谐振器电路，其工作电压范围为1～30 V、频率范围为0.1～1000 MHz，对有两个以上压电谐振器的压电芯片，该工作电路还包含通常的程序控制的多选一开关电路。电压扫描器7是通常的电压扫描器，电压扫描范围为0～30 V、扫描速度范围为0.001～30 V/s。电学测量仪8是通常的电压、电流、频率等信号检测仪器，如数字电压表、数字电流表、频率计数器、数字示波器等，测定电压范围为0～10 V、电流范围为0～1 A、频率范围为0.1～1000 MHz。谐振器工作电路、电压扫描器和电学测量仪通过个人计算机程序控制，进行开关选择、电压扫描、信号采集与分析。

在进行单细胞力学动态分析试验时，如图1所示，采用通常的流体控制方法，如采用蠕动泵调节流速进行液流操控，从检测池溶液入口5导入细胞溶液，溶液充满检测池后停止溶液流动，等待足够时间（1～100 分钟）让单个细胞10通过粘附自然固定在化学修饰微电极表面后，以一定流速向检测池通入细胞测试缓冲液，并冲洗出未粘附的多余细胞后停止溶液流动；然后，通过程序控制的工作电路6、电压扫描器7和电学测量仪8，使微电极振动，并与粘附细胞相互作用，同步进行单细胞力学的动态调制与实时传感，如通过电压扫描器使压电谐振器的工作电压随时间按线性、三角等函数关系变化，通过频率计数器实时测量压电谐振器的谐振频率；最后，按已知的机电耦合模型和通常的数学方法，解析微电极振动与其对细胞的作用力、以及谐振信号变化与细胞力学参数的函数关系，如可由微电极振动的频率和幅度计算出对细胞作用力的大小，可由谐振频率改变计算出细胞剪切模量，由此对细胞力学参数与细胞力学调制的关系进行分析，获取单细胞力学性质的动态特性。

Claims

1. 一种压电调制与传感单细胞力学动态分析装置，其包括压电芯片、检测池和控制与检测系统；其特征在于：所述压电芯片封装于检测池内，通过控制与检测系统进行压电调制与传感单细胞力学动态分析；所述压电芯片由压电薄片及其表面分布的至少一组电极对构成，所述电极对包含至少一个面积与单个细胞适配、表面经化学修饰的微电极，一组电极对与压电薄片构成一压电谐振器；所述检测池包括基座、弹性垫圈和有溶液出入口的封盖，所述基座中央形成有容纳压电芯片和细胞溶液的下凹空腔，所述压电芯片的两面设置弹性垫圈，位于下凹空腔内，并通过封盖与基座扣合，将压电芯片加紧固定，所述封盖上的溶液出入口与所述下凹空腔相通；所述控制与检测系统包括工作电路、电压扫描器、电学测量仪和个人计算机，所述工作电路与压电芯片上的压电谐振器相连使其谐振，电压扫描器与工作电路连接控制压电谐振器的工作电压，电学测量仪与工作电路连接测量压电谐振器的谐振信号，计算机分别与工作电路、电压扫描器、电学测量仪连接，进行压电谐振器的程序控制及其信号采集和数据分析。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述工作电路是压电谐振器电路，其工作电压范围为1～30 V、频率范围为0.1～1000 MHz。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述压电谐振器在压电芯片上阵列布置多个。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述工作电路还包含程序控制的多选一开关电路。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的装置，其特征在于：所述电学测量仪是指电压、电流和/或频率信号检测仪器。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的装置，其特征在于：所述电学测量仪是指数字电压表、数字电流表、频率计数器和/或数字示波器。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述电学测量仪的测定电压范围为0～10 V、电流范围为0～1 A、频率范围为0.1～1000 MHz。

8.利用权利要求1、2、3或4所述的装置进行所述压电调制与传感单细胞力学动态分析的方法，其特征在于：所述方法是先向检测池通入细胞溶液，当单个细胞粘附固定在压电谐振器的化学修饰微电极上后，通入细胞测试缓冲液，并冲洗出未粘附的多余细胞；然后通过控制与检测系统控制使微电极产生振动，并与粘附细胞相互作用，通过电压扫描方法和电学测量方法，同步进行单细胞力学的动态调制与实时传感；最后采用机电耦合模型和数学方法，解析微电极振动与粘附细胞的作用力、以及谐振信号变化与细胞力学参数的函数关系，获取细胞力学性质与力学调制的动态关系，从而实现单细胞力学动态分析。