CN106868049A - 一种导入装置及导入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导入装置和导入方法，该导入装置用于将溶液中的外源分子导入至细胞内部，包括：至少一个的特超声生成装置，用于在溶液中生成特超声波；特超声波的频率在1GHz以上，特超声波作用于细胞的细胞膜以在细胞膜上形成暂时性的穿孔，为外源分子进入细胞提供临时通道。通过特超声生成装置在溶液中激发出特超声波，特超声波与细胞作用，能够使细胞膜上产生瞬时的纳米级的穿孔，为外源分子进入细胞提供临时通道，打破生物体表皮或单个细胞细胞膜的屏障，使外源分子快速进入皮下组织或细胞内部，从而实现对皮肤、器官和细胞的药物导入，提高导入效率。此导入装置与导入方法生物兼容性良好，对细胞活性无明显影响。

Description

一种导入装置及导入方法
技术领域
本发明涉及一种将外源分子导入至细胞内容的导入装置及导入方法。
背景技术
在现代分子生物学中，安全有效的对生物个体或细胞进行药物(包括药物分子及基因)导入是很关键的一环。由于细胞的细胞膜会保护细胞内部不受外界分子的干扰，所以直接用外源药物或基因与细胞作用，能够达到的给药效果微乎其微。因此，人们研发了各种化学或物理给药方法来提高细胞膜的渗透性，从而提高外源分子进入细胞的速率及效率，达到治疗的效果。
化学给药方法通常利用重组病毒或化学合成载体与目标外源分子结合，减小其进入细胞内的阻碍，达到增强外源分子导入效率的效果。但是化学给药方法会引入外源的化学试剂，增加了机体变异或潜在免疫的风险。此外，化学给药方法需要复杂的合成及准备过程，增加了技术方法的复杂性。
“电穿孔”或“声穿孔”等物理给药方法利用物理激励在细胞膜上产生瞬时的孔，为目标外源分子(药物、基因等)进入细胞内部提供了临时通道，从而提高外源分子进入细胞的效率。尽管“电穿孔”给药方法无需化学试剂，但是所使用的强电场会很大程度上损伤细胞膜，并导致细胞凋亡，因此较高的细胞凋亡率限制了“电穿孔”技术的应用。“声穿孔”给药技术利用超声波打乱细胞膜分子的整齐排列，从而提高细胞膜的渗透性，增加外源分子进入细胞的效率。与“电穿孔”相比，“声穿孔”技术较温和，会减小细胞凋亡比率。但是“声穿孔”技术是基于空穴效应，所以通常需要配合使用微泡造影剂。但微泡造影剂有化学试剂带来的潜在风险，并且其对细胞来说不是一个安全的环境。
所以，需要提出一种无需要化学试剂引入的、且可以降低细胞凋亡率的给药方法。
针对相关技术中的上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的上述问题，本发明提出一种将外源分子导入细胞的导入装置及导入方法，能够提高外源分子进入细胞的效率，同时将细胞凋亡比率控制在很低水平。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个方面，提供了一种导入装置，用于将溶液中的外源分子导入至细胞内部，导入装置包括：至少一个的特超声生成装置，用于在含有细胞的溶液中生成特超声波；其中，特超声波的频率在1GHz以上，特超声波作用于细胞的细胞膜以在细胞膜上形成暂时性的穿孔，外源分子通过穿孔导入至细胞内部。
在一个实施例中，至少一个的特超声生成装置中的各个特超声生成装置均包括：交流电压源，用于提供交流电压，交流电压的频率在1GHz以上；以及微纳压电谐振器，置于溶液中且与交流电压源电连接，用于利用交流电压生成特超声波。
优选地，微纳压电谐振器为体声波谐振器。
其中，外源分子的导入效率与交流电压的功率、细胞与微纳压电谐振器的距离、以及外源分子的浓度相关。
其中，外源分子包括小分子药物、大分子药物、以及基因。
在一个实施例中，微纳压电谐振器的数量为一个或多个；其中，多个微纳压电谐振器呈阵列式排布。
在一个实施例中，微纳压电谐振器为叠层结构，包括：第一电极层；覆盖于第一电极层的压电层；以及覆盖于压电材料层的第二电极层。
在一个实施例中，第一电极层的材料和第二电极层的材料均为金属。
其中，第一电极层的材料包括钼、铝、金之中的任意一种；第二电极层的材料包括钼、铝、金之中的任意一种；以及压电层的材料包括氮化铝。
在一个实施例中，第一电极层、以及第二电极层均为正五边形形状。
根据本发明的另一方面，提供了一种导入方法，用于将外源分子导入细胞，导入方法包括：在含有细胞的溶液中生成特超声波；其中，特超声波作用于细胞的细胞膜以在细胞膜上形成暂时性的穿孔，外源分子通过穿孔导入细胞。
在一个实施例中，在与含有细胞的溶液中生成特超声波包括：提供交流电压，交流电压的频率在1GHz以上；以及通过微纳压电谐振器利用交流电压生成特超声波。
其中，外源分子的导入效率与交流电压的功率、细胞与微纳压电谐振器的距离、以及外源分子的浓度相关。
本发明通过特超声生成装置在含有细胞的溶液中激发出频率在GHz频段的特超声波，特超声波与细胞作用，能够使细胞膜上产生瞬时的纳米级的穿孔，为外源分子进入细胞提供临时通道，打破生物体表皮或单个细胞细胞膜的屏障，使外源分子快速进入皮下组织或细胞内部，从而实现对皮肤、器官和细胞的药物导入，提高导入效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的导入装置将外源分子导入细胞的示意图；
图2是图1中微纳压电谐振器件的侧视示意图；
图3是图1中微纳压电谐振器件的俯视示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明实施例的导入装置，用于将溶液中的外源分子导入至细胞内部，该导入装置包括：至少一个的特超声生成装置，用于在含有细胞的溶液中生成特超声波；其中，特超声波的频率在1GHz以上，特超声波作用于细胞的细胞膜以在细胞膜上形成暂时性的穿孔，外源分子通过穿孔导入至细胞内部。特超声生成装置的数量可以根据实际需求进行设定，本发明对此不做出限定。
上述技术方案，通过特超声生成装置在含有细胞的溶液中激发出频率在GHz频段的特超声波，特超声波与细胞作用，能够使细胞膜上产生瞬时的纳米级的穿孔，为外源分子进入细胞提供临时通道，打破生物体表皮或单个细胞细胞膜的屏障，使外源分子快速进入皮下组织或细胞内部，实现快速地给药，从而提升外源分子进入细胞的效率。另外，与现有技术相比，本发明不需要使用强电场或化学试剂，从而能够降低细胞的凋亡比率。
其中，外源分子可以包括小分子药物、大分子药物、以及基因。进一步地，给药(外源分子)范围可依据特超声生成装置的器件尺寸和作用距离而改变，因此可根据实际需要对给药范围进行设置，实现对特定位点进行局部药物导入的功能。
在一个实施例中，如图1所示，至少一个的特超声生成装置中的各个特超声生成装置均包括：交流电压源(未示出)以及设置于含有细胞的溶液中且与交流电压源电连接的微纳压电谐振器10，交流电压源用于提供交流电压，交流电压的频率应在1GHz以上；微纳压电谐振器10用于根据交流电压生成特超声波。其中，微纳是指微米、纳米级尺寸，即0.1nm至1μm。
具体地，用于激发特超声波的微纳压电谐振器10浸于溶液之中,细胞20与外源分子30也共同置于溶液中。为微纳压电谐振器10提供的频率应在1GHz以上的交流电压使得微纳压电谐振器10工作在GHz频段，从而在溶液中激发出频率在GHz频段的特超声波。特超声波作用于细胞20，使细胞20的细胞膜上产生瞬时的纳米级穿孔，为外源分子30进入细胞20提供了临时通道，从而促进外源分子30进入细胞20。
优选地，微纳压电谐振器10为体声波谐振器。
其中，外源分子的导入效率与交流电压的功率、细胞与微纳压电谐振器的距离、以及外源分子的浓度相关。
微纳压电谐振器10的数量可以为一个或多个；其中，当微纳压电谐振器10的数量为多个时，多个微纳压电谐振器10呈阵列式排布。由于微纳压电谐振器10的尺寸微小，能够实现阵列化的药物导入。
在一个实施例中，如图2所示，微纳压电谐振器10为叠层结构，包括：第一电极层13、覆盖于第一电极层13的压电层12、以及覆盖于压电材料层的第二电极层11。
其中，第一电极层13的材料和第二电极层11的材料均为金属。
进一步地，第一电极层13的材料可以包括钼、铝、金之中的任意一种；第二电极层11的材料可以包括钼、铝、金之中的任意一种；以及压电层12的材料可以包括氮化铝。
在一个实施例中，结合图2和图3所示，第一电极层13、以及第二电极层11均为正五边形形状。需要说明的是，第一电极层13以及第二电极层11的形状不限于是正五边形，任何能够使微纳压电谐振器10工作在GHz频段且能够在溶液中激发特超声波的形状都在本发明保护范围之内。
根据本发明的实施例，还提供了一种导入方法，包括：在含有细胞的溶液中生成特超声波的步骤；其中，特超声波作用于细胞的细胞膜以在细胞膜上形成暂时性的穿孔，外源分子通过穿孔导入细胞。
在一个实施例中，在含有细胞的溶液中生成特超声波可以包括以下步骤：
S1，提供交流电压，交流电压的频率在1GHz以上；以及
S2，通过微纳压电谐振器利用交流电压在含有细胞的溶液中生成特超声波。
其中，外源分子的导入效率与交流电压的功率、细胞与微纳压电谐振器的距离、以及外源分子的浓度相关。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过特超声生成装置在含有细胞的溶液中激发出频率在GHz频段的特超声波，特超声波与细胞作用，能够使细胞膜上产生瞬时的纳米级的穿孔，为外源分子进入细胞提供临时通道，打破体生物体表皮或单个细胞细胞膜的屏障，使外源分子快速进入皮下组织或细胞内部，实现对皮肤、器官和细胞的药物导入，提高导入效率，并能够保持细胞的凋亡比率在较低水平；同时可以实现对特定位点进行局部药物导入的功能，进一步地还可以实现阵列化给药。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种导入装置，用于将溶液中的外源分子导入至细胞内部，其特征在于，包括：
至少一个的特超声生成装置，用于在含有所述细胞的溶液中生成特超声波；
其中，特超声波的频率在1GHz以上，所述特超声波作用于所述细胞的细胞膜以在所述细胞膜上形成暂时性的穿孔，所述外源分子通过所述穿孔导入至所述细胞内部。
2.根据权利要求1所述的导入装置，其特征在于，所述至少一个的特超声生成装置中的各个特超声生成装置均包括：
交流电压源，用于提供交流电压，所述交流电压的频率在1GHz以上；以及
微纳压电谐振器，置于所述溶液中且与所述交流电压源电连接，用于利用所述交流电压生成所述特超声波。
3.根据权利要求2所述的导入装置，其特征在于，所述微纳压电谐振器为体声波谐振器。
4.根据权利要求2所述的导入装置，其特征在于，所述外源分子的导入效率与所述交流电压的功率、所述细胞与所述微纳压电谐振器的距离、以及所述外源分子的浓度相关。
5.根据权利要求1所述的导入装置，其特征在于，所述外源分子包括小分子药物、大分子药物、以及基因。
6.根据权利要求2所述的导入装置，其特征在于，
所述微纳压电谐振器的数量为一个或多个；
其中，所述多个微纳压电谐振器呈阵列式排布。
7.根据权利要求2所述的导入装置，其特征在于，所述微纳压电谐振器为叠层结构，包括：
第一电极层；
覆盖于所述第一电极层的压电层；以及
覆盖于所述压电材料层的第二电极层。
8.根据权利要求7所述的导入装置，其特征在于，
所述第一电极层的材料和所述第二电极层的材料均为金属。
9.根据权利要求8所述的导入装置，其特征在于，
所述第一电极层的材料包括钼、铝、金之中的任意一种；
所述第二电极层的材料包括钼、铝、金之中的任意一种；以及
所述压电层的材料包括氮化铝。
10.根据权利要求7所述的导入装置，其特征在于，所述第一电极层、以及所述第二电极层均为正五边形形状。
11.一种导入方法，用于将外源分子导入细胞，其特征在于，包括：
在含有所述细胞的溶液中生成特超声波；
其中，所述特超声波作用于所述细胞的细胞膜以在所述细胞膜上形成暂时性的穿孔，所述外源分子通过所述穿孔导入至所述细胞内部。
12.根据权利要求11所述的导入方法，其特征在于，在含有所述细胞的溶液中生成特超声波包括：
提供交流电压，所述交流电压的频率在1GHz以上；以及
通过微纳压电谐振器利用所述交流电压生成所述特超声波。
13.根据权利要求12所述的导入装置，其特征在于，所述外源分子的导入效率与所述交流电压的功率、所述细胞与所述微纳压电谐振器的距离、以及所述外源分子的浓度相关。
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