CN102286646B - 阵列化图形细胞的电调控方法 - Google Patents

Abstract

一种阵列化图形细胞的电调控方法，包括如下步骤：取一衬底；在衬底上制备电极阵列，该电极阵列包括接点和与之连接的连线；在衬底的表面和电极阵列的连线上制备绝缘层，形成一基底；在基底的上表面进行化学修饰，使基底上的电极阵列的表面具有细胞粘附性质的粘附层，使基底上的绝缘层具有抗粘附性质的抗粘附层，该粘附层可通过电控从表面解吸附；在具有粘附层和抗粘附层的基底上种植第一种细胞；在电极阵列中的单个电极或者电极组合上施加电压，使施加电压的粘附层上的细胞脱落，露出电极表面；在细胞脱落的电极表面，种植第二种细胞；在未施加电压的电极上通过重复细胞解吸附和种植细胞的步骤，控制多种种植细胞的图案化。

Description

阵列化图形细胞的电调控方法

技术领域

本发明涉及细胞图案化技术领域，特别是一种阵列化图形细胞的电调控方法。

背景技术

多种细胞图案化技术与目前的临床医学和基础生物学研究都息息相关。这是因为人体和任何高等动物的组织和器官都是由多种不同细胞精确排列组成的，而体外的细胞图案化技术不仅能够模拟体内的微环境，进而为某些疑难杂症(如肿瘤形成，癌症入侵等)提供体外研究工具，更使得在体外制造有功能的组织和器官成为可能，非常有潜力应用于组织工程学。

目前国内外采用较多的方法为：利用刻蚀、微流和表面化学等技术，图案化多种细胞，并可释放限制区使其内细胞迁移。这些方法能够准确地排列多种细胞的位置，细胞之间的距离也能够精确调控。然而，传统方法只能对所有限制区同时释放，很难在时间和空间上精确控制多种细胞脱落等行为。但这一点却非常重要，因为在很多生理活动(如组织发育)或者疾病发生(如癌症入侵)中，常常是一种或者几种细胞在不同时间中逐渐侵入另外一种。因此开发一种时间和空间上可控的多种细胞图案化方法，可以对研究此类问题提供体外模型，从而在理论上对药物开发等提供依据。

本方法关键的创新点在于将电极阵列与传统细胞图案化技术相结合，细胞粘附在表面修饰的电极上之后，可以通过电压寻址，以每个电极为基本单元，控制所需电极组合(单电极形状不限，电极组合不限)表面的细胞脱落，并在脱落部分种植上其它种类的细胞，根据细胞生长状态，确定其他电极细胞的脱落时间和细胞种植种类，达到时间和空间上可控的多种细胞图案化。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种阵列化图形细胞的电调控方法，其是结合电极阵列、表面修饰和电化学，开发出一种具有电极寻址的选择型图案化方法，通过对不同电极施加独立电位，能够多通道控制电极表面的细胞粘附性，最终达到多种细胞的图案化。

本发明提供一种阵列化图形细胞的电调控方法，其是结合了电极阵列和传统细胞图案化技术，利用电极寻址功能，实现在时间和空间上对多种细胞行为的操控，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底；

步骤2：在衬底上制备电极阵列，该电极阵列包括接点和与之连接的连线；

步骤3：在衬底的表面和电极阵列的连线上制备绝缘层，该绝缘层的面积小于衬底的面积，使衬底的四边未覆盖绝缘层，各接点上未覆盖绝缘层，形成一基底；

步骤4：在基底的上表面进行化学修饰，使基底上的电极阵列的表面具有细胞粘附性质的粘附层，使基底上的绝缘层具有抗粘附性质的抗粘附层，该粘附层可通过电控从表面解吸附；

步骤5：在具有粘附层和抗粘附层的基底上种植第一种细胞，该细胞选择性的粘附在粘附层的表面；

步骤6：在电极阵列中的单个电极或者电极组合上施加电压，由于单个电极或者电极组合表面的粘附层与电极表面解吸附，使施加电压的粘附层上的细胞脱落，露出电极表面；

步骤7：在细胞脱落的电极表面，种植第二种细胞；

步骤8：在未施加电压的电极上通过重复步骤6、7的细胞解吸附和种植细胞的步骤，控制多种种植细胞的图案化。

其中所述衬底的材料为硅、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯。

其中电极阵列中的电极接点的形状是任意形状，其尺寸为1微米到1分米之间。

其中所述的化学修饰使用的修饰材料为两类分子，一种是可与导电材料的表面特异性或非特异性键合且电控响应解吸附的分子，形成粘附层，另一种是可在绝缘层表面非特异性或者特异性吸附并抗拒细胞贴附的分子，形成抗粘附层。

其中粘附层的组成分子中含有RGD和巯基或者半胱氨酸的分子，抗粘附层的组成分子中一端为聚赖氨酸另一端为聚乙二醇的分子，粘附层和抗粘附层两类分子为单一溶液或者混合溶液，将处理后的电基底分别浸泡在单一溶液或者混合溶液中，浸泡0.1-48小时。

其中所述的施加电压的范围为负0.8到负1.8之间。

其中所述第一种细胞、第二种细胞和多种细胞是任何贴壁细胞。

其中所述电极阵列的数量为1×1至100×100。

附图说明

为了说明本方法的具体内容，以下结合具体实施例，附图详细说明，其中：

图1是本发明的电极阵列制备及表面修饰的示意图；

图2是电极表面上细胞粘附的示意图；

图3是电调控细胞脱落示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，为本发明的第一实施例，本发明提供一种阵列化图形细胞的电调控方法，其是结合了电极阵列的工艺技术和传统细胞图案化技术，利用电极阵列寻址功能，实现在时间和空间上对多种细胞粘附和脱落行为的操控，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底1，如图1(a)所示，所述衬底1的材料为硅、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯，本实施例中采用玻璃为衬底1；按需求裁为合适大小，本实施例中厚度为1毫米，长宽均为55毫米；

步骤2：如图1(b)所示，在衬底1上制备电极阵列2，该电极阵列2包括接点21和与之连接的连线22，所示电极阵列2中的电极接点21的形状是任意形状，尺寸为1微米到1分米之间，所述电极阵列2的数量为1×1至100×100(本实施例为8×8)；电极阵列2的制备方法为金属腐蚀法和剥离法两种方法。金属腐蚀法的过程：在衬底1上生长金属层，生长金属的方法为，化学镀、电镀、热蒸镀、化学气象沉积或者是磁控溅射；本实施例是使用的是热蒸镀镀上的金属层，为铬-金-铬，其中，铬为粘附层，增加金与衬底1以及绝缘层3之间的粘附性；在金属层表面使用光刻技术得到电极阵列2的光刻胶图形，电极21为方形，边长为200微米，电极阵列2的数量10×10，电极21的间隔为200微米；在光刻胶的保护下，干法或者湿法腐蚀掉光刻胶图形以外的金属层，本实施例中用铬腐蚀液和金腐蚀液湿法腐蚀掉电极阵列2以外的金属层；最后用去除光刻胶的溶液洗去光刻胶，得到电极阵列2；剥离法的过程：在衬底1上用光刻技术将光刻胶制备出与电极阵列2相反的图案，使需要做电极阵列2的衬底部分裸露出来，电极阵列2以外的部分被光刻胶保护；之后将有光刻胶图案的衬底1生长金属层，生长方法与金属腐蚀法中的生长金属方法一致；之后用能够去除光刻胶的溶液将光刻胶洗掉，则光刻胶上方的金属也被同时洗去，衬底1上出现需要的电极阵列2，本实施例中的电极21为圆形，直径为100微米，阵列为8×8，电极接线22线宽为20微米，电极21的间隔距离为100微米；制备好电极阵列2的衬底1使用等离子去胶机或者清洗溶液清洗干净；

步骤3：如图1(c)所示，在衬底1的表面和电极阵列2的连线22上制备绝缘层3，该绝缘层3的面积小于衬底1的面积，使衬底1的四边未覆盖绝缘层3，各接点21上未覆盖绝缘层3，形成一基底；首先在衬底1和电极阵列2上制备一层绝缘层3，在本实施例中是进行等离子加强化学气象沉积一层二氧化硅，也可以生长一层氮化硅，聚酰亚胺或者聚对二甲苯等绝缘物质；为了使电极21和连线22的靠近边缘位置裸露出来，本实施例中我们使用光刻胶对需要保护的绝缘层进行保护，对绝缘层表面进行再次光刻，此次光刻需要与第一次光刻的图形对准，并且露出最终需要电极的部分，光刻胶掩盖导线部分，除此以外也可以使用具有中空电极图案的模具保护需要保护的绝缘层；继而用湿法或者干法刻掉露出来的绝缘层，露出电极21，本实施例中因为金属层中的铬为粘附层，可用铬腐蚀液将上层的铬粘附层腐蚀掉，露出需要的表面金电极；最终去掉光刻胶或者模具这层保护层，完成步骤3，得到一基底；步骤4：根据基底的洁净活化程度，使用等离子体清洗机处理基底表面或者不处理；在基底的上表面进行化学修饰，使基底上的电极阵列2的表面具有细胞粘附性质的粘附层4，使基底上的绝缘层3具有抗粘附性质的抗粘附层5，该粘附层4可通过电控从表面解吸附；所述的化学修饰使用的修饰材料为两类分子，一种是可与导电材料的表面特异性或非特异性键合且电控响应解吸附的分子，形成粘附层4；另一种是可在绝缘层3表面非特异性或者特异性吸附并抗拒细胞贴附的分子，形成抗粘附层5；所述粘附层4的组成分子中含有RGD和巯基或者半胱氨酸的分子，抗粘附层5的组成分子中一端为聚赖氨酸另一端为聚乙二醇的分子；本实施例中粘附层4的分子为含有RGD氨基酸的多肽短链(氨基酸序列为CCRRGDWLC)，抗粘附层5的组成分子为聚赖氨酸-聚乙二醇；粘附层4和抗粘附层5两类分子为单一溶液或者混合溶液，将处理后的基底分别浸泡在单一溶液或者混合溶液中，浸泡0.1-48小时；本实施例中将粘附层4和抗粘附层5的分子溶于超纯水中，其中多肽浓度为1.1mg/ml，聚赖氨酸-聚乙二醇浓度为0.5mg/ml，基底浸泡12小时；多肽短链两端的半胱氨酸可与电极21金的表面形成金-硫键，多肽中间的RGD氨基酸可以使细胞粘附，形成粘附层4，聚赖氨酸-聚乙二醇由于亲疏水作用占据绝缘层3表面的位点，形成抗粘附层5，得到如图1(d)所示最终的表面修饰过的且具有电极阵列的修饰后基底。70％酒精消毒后，待种植细胞使用。

步骤5：请参照图2，在具有粘附层4和抗粘附层5的修饰后基底上种植第一种细胞6，该细胞6选择性的粘附在粘附层4的表面，所述第一种细胞是任何贴壁细胞；所述的修饰后基底置于选定的第一种细胞6的悬浮溶液中，放入内部培养条件37℃，CO₂体积浓度5％，具有湿度的细胞培养箱内，使第一种细胞6贴壁。由于表面性质的不同，细胞6只在具有粘附层4电极21部分贴壁，其余绝缘层3部分由于抗粘附层5的作用而抗拒细胞粘附；用无细胞的培养基或者PBS缓冲液冲洗除去多余的未贴壁细胞6，种植第一种细胞完成；

步骤6：将培养细胞的培养基换成PBS缓冲液作为电解液，在电极阵列2中选定的单个电极或者电极组合上施加电压，所述的施加电压的范围为负0.8到负1.8之间，本实施例中施加了-1.2V，电化学效应如图3所示，电化学效应导致金电极表面的金-硫键断裂，使单个电极或者电极组合表面的粘附层4与电极21表面解吸附，使施加电压的粘附层4上的第一种细胞6脱落，露出电极表面；

步骤7：在细胞脱落的电极表面，种植第二种细胞，所述第二种细胞是任何贴壁细胞；再次将修饰后基底置于第二种细胞的悬浮溶液中，放回培养箱继续培养；由于绝缘层3表面的粘附层5仍然抗拒细胞粘附，只有步骤6中所述的单一电极或者电极组合的表面有空间粘附细胞，所以第二种细胞只能在上述表面上贴壁粘附；用无细胞的培养基或者PBS缓冲液冲洗除去多余的未贴壁的第二种细胞，种植第二种细胞完成；

步骤8：在未施加电压的其余电极21表面上通过重复步骤6、7的细胞解吸附和种植细胞的步骤，控制多种种植细胞的图案化，所述多种细胞是任何贴壁细胞。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种阵列化图形细胞的电调控方法，其是结合了电极阵列和传统细胞图案化技术，利用电极寻址功能，实现在时间和空间上对多种细胞行为的操控，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底，该衬底的材料为硅、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯；

步骤2：在衬底上制备电极阵列，该电极阵列包括接点和与之连接的连线；

步骤3：在衬底的表面和电极阵列的连线上制备绝缘层，该绝缘层的面积小于衬底的面积，使衬底的四边未覆盖绝缘层，各接点上未覆盖绝缘层，形成一基底；

步骤4：在基底的上表面进行化学修饰，使基底上的电极阵列的表面具有细胞粘附性质的粘附层，使基底上的绝缘层具有抗粘附性质的抗粘附层，该粘附层可通过电控从表面解吸附，所述的化学修饰使用的修饰材料为两类分子，一种是可与导电材料的表面特异性或非特异性键合且电控响应解吸附的分子，形成粘附层，另一种是可在绝缘层表面非特异性或者特异性吸附并抗拒细胞贴附的分子，形成抗粘附层；

步骤5：在具有粘附层和抗粘附层的基底上种植第一种细胞，该细胞选择性的粘附在粘附层的表面；

步骤6：在电极阵列中的单个电极或者电极组合上施加电压，由于单个电极或者电极组合表面的粘附层与电极表面解吸附，使施加电压的粘附层上的细胞脱落，露出电极表面；

步骤7：在细胞脱落的电极表面，种植第二种细胞；

步骤8：在未施加电压的电极上通过重复步骤6、7的细胞解吸附和种植细胞的步骤，控制多种种植细胞的图案化。

2.根据权利要求1所述的阵列化图形细胞的电调控方法，其中电极阵列中的电极接点的形状是任意形状，其尺寸为1微米到1分米之间。

3.根据权利要求1所述的阵列化图形细胞的电调控方法，其中粘附层的组成分子中含有RGD和巯基或者半胱氨酸的分子，抗粘附层的组成分子中一端为聚赖氨酸另一端为聚乙二醇的分子，粘附层和抗粘附层两类分子为单一溶液或者混合溶液，将处理后的电基底分别浸泡在单一溶液或者混合溶液中，浸泡0.1-48小时。

4.根据权利要求1所述的阵列化图形细胞的电调控方法，其中所述的施加电压的范围为负0.8V到负1.8V之间。

5.根据权利要求1所述的阵列化图形细胞的电调控方法，其中所述第一种细胞、第二种细胞和多种细胞是任何贴壁细胞。

6.根据权利要求1所述的阵列化图形细胞的电调控方法，其中所述电极阵列的数量为1×1至100×100。

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