CN111100789B - 一种基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔系统及方法，其特征在于，包括：体声波谐振器，设置于一芯片上，用于产生特超声波；脂双分子层，其沉积在所述芯片表面，且覆盖所述体声波谐振器。由上，本申请可以实现不依赖微气泡的可控性的开孔，通过无损伤的穿膜技术，实现稳定的细胞膜(磷脂双分子层)的跨膜传输。

Description

一种基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔系统及方法

技术领域

本发明涉及穿膜技术领域，尤其涉及一种基于特超声声孔效应的 磷脂膜开孔系统及方法。

背景技术

常用的基于物理方法的穿膜技术，包括光热穿孔，电穿孔和超声 穿孔，被光放应用于细胞内外的传输中。其中促进物质进入细胞的关 键因素在于传输过程中细胞膜的通透性的改变，并且这个物理过程不 会造成细胞膜损伤或细胞凋亡。传统的基于超声波(频率为 15Khz-10MHz)的开孔技术需要借助微气泡来改变细胞膜的通透性， 但是这种方法并不稳定且可控性较低，整个穿膜过程需要依赖微气泡来完成。

因此，目前亟需一种基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔系统及方 法，以实现不依赖微气泡的可控性的开孔，通过无损伤的穿膜技术， 实现稳定的细胞膜(磷脂双分子层)的跨膜传输。

发明内容

有鉴于此，本文提出了一种基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔系 统及方法，有利于实现不依赖微气泡的可控性的开孔，通过无损伤的 穿膜技术，实现稳定的细胞传输。

本申请提供一种基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔系统，包括：

体声波谐振器，设置于一芯片上，用于产生特超声波；

磷脂双分子层，其沉积在所述芯片表面，且覆盖所述体声波谐振 器。

由上，通过激发体声波谐振器，并控制所述体声波谐振器的频率 为GHz级的频率；以使产生特超声波，以带动沉积在其表面的磷脂 双分子层的运动，以使得磷脂膜被开孔。

优选地，所述系统，还包括：

金电极，设置于所述芯片上；且所述磷脂双分子层整体无间隙的 覆盖所述金电极和所述体声波谐振器。

场效应晶体管，与所述金电极连接。

由上，有利于检测磷脂双分子层的通透性是否发生变化。具体的 原理为：体声波谐振器上方的磷脂双分子层的运动会逐渐传播至位于 金电极上方的磷脂双分子层处。因为磷脂双分子层为绝缘层，即可以 将缓冲液中的离子与金电极隔离开，从而保证与金电极连接的场效应 晶体管产生的电流为恒定值。但是当磷脂双分子层因特超声波传播导致的移动而产生一定缺陷时，磷脂双分子层上方缓冲液中的离子会通 过这些孔状的缺陷结构穿过磷脂双分子层而导致场效应晶体管产生 的电流发生变化。因此本申请的该系统可用于检测沉积在其表面的磷 脂双分子层的通透性是否发生变化，也即，可以检测是否开孔。

优选地，所述体声波谐振器的频率为GHz级的频率。

由上，GHz级的频率，有利于产生特超声波，以有利于进行磷脂 膜的开孔。

优选地，所述体声波谐振器的频率为1.6GHz。

由上，上述频率为其中一优选地频率，其他的GHz级的频率有利 于磷脂开孔的频率也在本申请的保护范围之内。

优选地，所述体声波谐振器与所述金电极集成设置于所述芯片上。

优选地，所述设置于所述芯片上的所述体声波谐振器与所述金电 极之间间隔指定距离设置或者接触设置。

优选地，所述系统，还包括：

信号发生器，通过连接一信号放大器后与所述体声波谐振器连接；

中央处理器，与所述信号发生器连接。

由上，有利于控制信号的发生，以及控制信号发生的强度，从而 控制所述体声波谐振器的频率。

本申请还提供一种基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔的方法，基 于前述的系统，包括：

激发体声波谐振器，并控制所述体声波谐振器的频率为GHz级的 频率；使其产生特超声波，以带动沉积在其表面的磷脂双分子层的运 动，以使得磷脂膜被开孔。

由上，本申请通过控制所述体声波谐振器的频率为GHz级的频率； 使其产生特超声波，以带动沉积在其表面的磷脂双分子层的运动，以 使得磷脂膜被开孔，同时也可以通过控制所述体声波谐振器的频率使 得磷脂膜被开孔后的恢复。

优选地，当检测到与金电极连接的场效应晶体管产生的电流发生 变化时，则判断磷脂双分子层的通透性发生变化，磷脂膜被开孔。

由上，体声波谐振器上方的磷脂双分子层的运动会逐渐传播至位 于金电极上方的磷脂双分子层处。因为磷脂双分子层为绝缘层，即可 以将缓冲液中的离子与金电极隔离开，从而保证与金电极连接的场效 应晶体管产生的电流为恒定值。但是当磷脂双分子层因特超声波传播 导致的移动而产生一定缺陷时，磷脂双分子层上方缓冲液中的离子会通过这些孔状的缺陷结构穿过磷脂双分子层而导致场效应晶体管产 生的电流发生变化。因此本申请还可用于检测沉积在其表面的磷脂双 分子层的通透性是否发生变化，也即，可以检测是否开孔。

优选地，所述方法，还包括：

通过控制所述体声波谐振器施加功率的大小及时间，以控制所述 开孔的数量和尺寸。

由上，通过控制所述体声波谐振器施加功率的大小及时间，可以 控制所述开孔的数量和尺寸。

综上所述，本申请提供的基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔系统 及方法，可以实现不依赖微气泡的可控性的开孔，通过无损伤的穿膜 技术，实现稳定的细胞膜(磷脂双分子层)的跨膜传输。

附图说明

图1是本申请实施例的系统的结构示意图；

图2是本申请实施例的系统的开孔的示意图；

图3是本申请实施例系统的结构及工作原理示意图；其中，a是本 申请实施例的系统的结构图；b为本申请实施例的系统的工作原理示意 图；

图4本申请实施例在磷脂双分子层的表征的示意图；a是本申请实 施例在磷脂双分子层的单位面积-压强曲线表征的示意图；b是本申请 实施例在磷脂双分子层的循环伏安法表征的示意图；

图5a是本申请实施例在磷脂双分子层上特超声声孔的实时监测的 示意图；图5b是本申请实施例所示施加的特超声波的功率与场效应晶 体管检测到的电流的关系的示意图；

图6是本申请实施例提供的不同离子溶液中的特超声声孔效应的示 意图；

图7是本申请实施例提供的声孔的表征的示意图；a是本申请实施 例提供的声孔的循环伏安法表征的示意图；b是本申请实施例提供的声孔的原子力显微镜表征的示意图；c是本申请实施例提供的声孔的激光 扫面显微镜表征的示意图；

图8是本申请实施例提供的激光扫描显微镜表征示意图；a中扫描 的是位于布拉格反射型体声波谐振器上方的磷脂双分子层；b中扫描的 是位于金电极上方的磷脂双分子层在施加特超声波刺激前的形貌；c中 扫描的是位于金电极上方的磷脂双分子层在施加特超声波刺激后的形 貌。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施 例，而不是全部实施例。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。

本申请提供一种基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔系统，包括：

体声波谐振器101，设置于一芯片102上，用于产生特超声波；

磷脂双分子层103，其沉积在所述芯片102表面，且覆盖所述体 声波谐振器101。通过激发体声波谐振器，并控制所述体声波谐振器 的频率为GHz级的频率；以使产生特超声波，以带动沉积在其表面 的磷脂双分子层的运动，以使得磷脂膜被开孔。

进一步地，所述系统，还包括：

金电极104，设置于所述芯片102上；且所述磷脂双分子层103 整体无间隙的覆盖所述金电极104和所述体声波谐振器101。

场效应晶体管105，与所述金电极104连接。

有利于检测磷脂双分子层的通透性是否发生变化。

具体的，本申请的系统的原理为：通过激发体声波谐振器，并控 制所述体声波谐振器的频率为GHz级的频率；以使产生特超声波，以 带动沉积在其表面的磷脂双分子层的运动，体声波谐振器上方的磷脂 双分子层的运动会逐渐传播至位于金电极上方的磷脂双分子层处。因 为磷脂双分子层为绝缘层，即可以将缓冲液中的离子与金电极隔离开， 从而保证与金电极连接的场效应晶体管产生的电流为恒定值。但是当 磷脂双分子层因特超声波传播导致的移动而产生一定缺陷时，磷脂双分子层上方缓冲液中的离子会通过这些孔状的缺陷结构穿过磷脂双 分子层而导致场效应晶体管产生的电流发生变化。因此本申请的该系 统可用于检测沉积在其表面的磷脂双分子层的通透性是否发生变化， 也即，可以检测是否开孔。

其中，所述体声波谐振器的频率为GHz级的频率。有利于产生特 超声波，以有利于进行磷脂膜的开孔。优选地，所述体声波谐振器的 频率为1.6GHz。该频率为其中一优选地频率，其他的GHz级的频率 有利于磷脂开孔的频率也在本申请的保护范围之内。

其中，所述体声波谐振器与所述金电极集成设置于所述芯片上。

其中，所述设置于所述芯片上的所述体声波谐振器与所述金电极 之间间隔指定距离设置或者接触设置。

其中，所述系统，还包括：

信号发生器，通过连接一信号放大器后与所述体声波谐振器连接；

中央处理器，与所述信号发生器连接。有利于控制信号的发生， 以及控制信号发生的强度，从而控制所述体声波谐振器的频率。

实施例二

本申请还提供一种基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔的方法，基 于前述的系统，包括：

激发体声波谐振器，并控制所述体声波谐振器的频率为GHz级的 频率；使其产生特超声波，以带动沉积在其表面的磷脂双分子层的运 动，以使得磷脂膜被开孔。

进一步的，当检测到与金电极连接的场效应晶体管产生的电流发 生变化时，则判断磷脂双分子层的通透性发生变化，磷脂膜被开孔。

本申请通过控制所述体声波谐振器的频率为GHz级的频率；使其 产生特超声波，以带动沉积在其表面的磷脂双分子层的运动，以使得 磷脂膜被开孔，同时也可以通过控制所述体声波谐振器的频率使得磷 脂膜被开孔后的恢复。体声波谐振器上方的磷脂双分子层的运动会逐 渐传播至位于金电极上方的磷脂双分子层处。因为磷脂双分子层为绝 缘层，即可以将缓冲液中的离子与金电极隔离开，从而保证与金电极连接的场效应晶体管产生的电流为恒定值。但是当磷脂双分子层因特 超声波传播导致的移动而产生一定缺陷时，磷脂双分子层上方缓冲液 中的离子会通过这些孔状的缺陷结构穿过磷脂双分子层而导致场效 应晶体管产生的电流发生变化。进一步的，当检测到与金电极连接的 场效应晶体管产生的电流发生变化时，则判断磷脂双分子层的通透性 发生变化，磷脂膜被开孔。因此本申请还可用于检测沉积在其表面的磷脂双分子层的通透性是否发生变化，也即，可以检测是否开孔。

其中，所述方法，还包括：

通过控制所述体声波谐振器施加功率的大小及时间，以控制所述 开孔的数量和尺寸。通过控制所述体声波谐振器施加功率的大小及时 间，可以控制所述开孔的数量和尺寸。

具体地，为了更清楚的说明本申请，进一步地通过如下实施例进 行具体说明：

本申请人制作了频率为1.6GHz的布拉格反射型体声波谐振器， 用于产生特超声波。在同一块芯片上集成了一个条形的金电极，用于 连接场效应晶体管的门电极，进而实现电流检测作用。其结构如图3a所示。

如图3b所示，系统的工作原理为：首先，一层磷脂双分子层沉积 在集成式的芯片表面，同时覆盖了布拉格反射型体声波谐振器和金电 极。当布拉格反射型体声波谐振器被激发时，谐振器的表面将会上下 振动，同时带动沉积在其表面的磷脂双分子层运动。而位于体声波谐振器上方的磷脂双分子层的运动会逐渐传播至位于金电极上方的磷 脂双分子层处。这里，因为磷脂双分子层为绝缘层，即可以将缓冲液 中的离子与金电极隔离开，从而保证与金电极连接的场效应晶体管产 生的电流为恒定值。但是当磷脂双分子层因特超声波传播导致的移动 而产生一定缺陷时，磷脂双分子层上方缓冲液中的离子会通过这些孔状的缺陷结构穿过磷脂双分子层而导致场效应晶体管产生的电流发生变化。所以该系统可用于检测沉积在其表面的磷脂双分子层的通透 性是否发生变化。

在进行实时性检测前，我们对磷脂双分子层的特性进行表征。

单位面积-压强曲线表征，如图4a所示，在使用Langmuir-Blodgett 技术形成磷脂双分子层的过程中，单位面积上的分子产生的压强逐渐 增加，并且其增加速率在25mN/m处达到最值。说明此处分子之间的 间距最小，磷脂分子膜达到了致密均匀的程度，因此选择此压力点作为成膜的条件。

循环伏安法表征，我们分别测试了沉积磷脂双分子层之前和之后， 金电极上发生的氧化还原反应。这里使用氰化铁作为氧化还原指示剂。 如图4b所示，当金电极上沉积了磷脂双分子层之后，氧化还原峰的幅 值极大地降低了，说成因为磷脂双分子层的阻挡作用，被覆盖后的金电极不能有效地检测到磷脂双分子层上方溶液中发生的氧化还原反 应。即间接印证了磷脂双分子层的完整性，且无任何缺陷。

以下为基于磷脂双分子层的特超声声孔效应的实时性检测结果。

如图5a所示，当对体声波谐振器施加刺激，产生特超声波的同时， 场效应晶体管的电流会瞬间上升，而在关闭特超声波的瞬间电流又会 恢复其初始值。说明特超声波产生的特超声声孔效应可以增强磷脂双 分子层的通透性，并且这种开孔技术是可逆的，即关闭刺激时，磷脂双分子层上产生的孔是可恢复的。

如图5a所示，当逐渐提高施加的特超声波的功率时，场效应晶体 管检测到的电流也会相应增加。其增长趋势如图5b所示，呈现逐渐饱 和的趋势。电流逐渐增加，说明更高功率的特超声波可以产生更多或更大的声孔，从而使更多的离子穿过磷脂膜从而导致更高强度的电流。 最终电流增长到一定程度时，呈现饱和趋势，说明在有限面积的磷脂 双分子层上产生的特超声声孔的数量或尺寸也达到了一定极限。

如图6所示，当改变磷脂双分子层上方缓冲液中的离子种类时， 因特超声波刺激而导致的电流的变化程度也不同。这里使用的离子分别 为K⁺,Ca²⁺,Fe³⁺，影响电流变化的因素有三个：

1)K⁺,Ca²⁺,Fe³⁺的离子强度

2)K⁺,Ca²⁺,Fe³⁺的价电数

3)不同价的阳离子(K⁺,Ca²⁺,Fe³)对应的阴离子(Cl^-)的浓度

这些因素共同决定了包含不同离子的溶液中，磷脂双分子层上因特 超声声孔效应而产生的不同的电流。

最后，我们对特超声声孔进行了表征。包括：

循环伏安法表征，如图7a所示，在金电极上沉积了磷脂双分子层之 后，分别在三个时段通过检测金电极上发生的氧化还原反应来判断磷脂 双分子层的通透性。在未施加任何特超声波刺激前，氧化还原峰较低， 因为金电极被磷脂双分子层覆盖了。在施加特超声波刺激的过程中，氧化还原峰幅值增加，说明磷脂双分子层产生了一定缺陷，即特超声声孔。 当关闭特超声波刺激后，氧化还原峰恢复到了初始值，说明磷脂双分子 层上的缺陷恢复了，即特超声声孔具有可恢复性。

原子力显微镜表征，通过原子力显微镜对施加特超声波刺激前后的 磷脂双分子层的形貌进行了表征。图7b为未施加任何特超声波刺激时的 磷脂双分子层的形貌，图7c为施加了功率为250mW的特超声波刺激5分 钟后的磷脂双分子层的形貌。这两幅图中的磷脂双分子层均表现了一 致性和完整性，验证了特超声声孔效应的可恢复性。图7d为持续施加了 功率为500mW的特超声波刺激30分钟后的磷脂双分子层的形貌。因为此 强度下会产生一定的热效应(热效应会破坏磷脂双分子层的结构，而特超声声孔效应通常会避免热效应，此实验仅为了看到声孔在一定强度作 用下不可恢复的状况)，所以磷脂双分子层的形貌上出现了不可恢复的 孔状结构。

激光扫面显微镜表征，图8为不同条件下激光扫描显微镜获得的实 时性地磷脂双分子层的形貌图。所有测试结果的扫描时间均小于1分钟。 首先图8a中扫描的是位于布拉格反射型体声波谐振器上方的磷脂双分子层。从放大图中可以看出特超声波传播引起的磷脂双分子层的运动会导 致磷脂双分子层产生类似水波纹的变形。进一步地，通过检测和对比金 电极上方的磷脂双分子层在施加特超声波刺激前后的形貌发现，未施加 刺激时，磷脂双分子层表面较均匀，无明显缺陷(图8b)，施加特超声波刺激后，膜表面出现明显的高度差和类似孔洞的结构(图8c)。

这些表征实验进一步验证了磷脂双分子层因特超声波传播引起的形 变而产生特超声声孔的作用。从而有利于可控地改变磷脂膜或细胞膜的 通透性。

综上所述，本申请提供的基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔系统 及方法，可以实现不依赖微气泡的可控性的开孔，通过无损伤的穿膜 技术，实现稳定的细胞膜(磷脂双分子层)的跨膜传输。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (9)

1.一种基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔系统，其特征在于，包括：

体声波谐振器，设置于一芯片上，所述体声波谐振器的频率为GHz级的频率，用于产生特超声波；

金电极，设置于所述芯片上；

磷脂双分子层，沉积在所述芯片表面；所述磷脂双分子层整体无间隙的覆盖所述金电极和所述体声波谐振器；

当所述体声波谐振器产生特超声波时，所述体声波谐振器带动沉积在其表面的所述磷脂双分子层运动，沉积在所述体声波谐振器表面的磷脂双分子层的运动沿着磷脂双分子层的特超声波传播方向逐渐传播，所述磷脂双分子层产生孔状缺陷结构。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

场效应晶体管，与所述金电极连接；

所述磷脂双分子层产生孔状缺陷结构时，所述磷脂双分子层上方的缓冲液中的离子通过所述孔状缺陷结构穿过磷脂双分子层，所述场效应晶体管产生的电流发生变化。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述体声波谐振器的频率为1.6 GHz。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述体声波谐振器与所述金电极集成设置于所述芯片上。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述设置于所述芯片上的所述体声波谐振器与所述金电极之间采用间隔指定距离设置或者接触设置。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

信号发生器，通过连接一信号放大器后与所述体声波谐振器连接；

中央处理器，与所述信号发生器连接。

7.一种基于特超声声孔效应的磷脂膜开孔方法，所述方法基于权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于，包括：

激发所述体声波谐振器，控制所述体声波谐振器的频率为GHz级的频率使其产生特超声波，带动沉积在其表面的磷脂双分子层的运动，使所述磷脂双分子层被开孔。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述系统包括与所述金电极连接的场效应晶体管时，所述方法还包括：

检测到与所述金电极连接的所述场效应晶体管产生的电流发生变化时，判断磷脂双分子层的通透性发生变化，所述磷脂双分子层被开孔。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

通过控制所述体声波谐振器施加功率的大小及时间，控制所述开孔的数量和尺寸。