CN111254076A - 一种用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片，该芯片包括六边形声镊和微流腔体，使用Z切铌酸锂压电基底，并在基底制作了六个叉指换能器，通过不同的波束组合一起各个波束的相位单独调制，能够产生远多于传统声镊的声场样式，声场结构也更加灵活可调，当用于细胞操控组装时，提供了更加多样的组装结构和更加强大的操控能力。各个换能器的单独调制以及组合应用，并以此进行多波干涉，实现了多样声场结构和灵活调控。本发明能够更加适合各种需要细胞操控和组装的应用场景，并且无损伤不用接触，实现了更加灵活的表面波声场样式，使其能够更加适合多样的生物研究和组织工程的细胞操控需求，具有巨大的应用前景。

Description

一种用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片

技术领域

本发明涉及生物组织工程技术领域，尤其涉及一种用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片。

背景技术

在生物组织工程领域，细胞的有序组装和操控对于可控的细胞生长展现出越来越重要的作用，因为很多细胞的交流和功能实现都基于一定的形状结构信号，所以为了实现特定的组织功能并引导特定的分化方向，需要对细胞等样本按照特定的结构进行排列组装。传统的细胞排列方式大多是使用模具进行被动式的细胞溶液排列，这样的方式只能对细胞溶液进行排列，不能直接作用于更小尺寸的细胞，并且与细胞接触限制的基底会对细胞信息的传递和细胞生长都有着消极的影响，无法满足细胞排列的需求。

表面波声镊技术随着微机电和微流控技术的发展而得到越来越多的应用，其通过在压电晶体的基底上产生特定波长的声表面波，并耦合进入微流体之中，细胞等物质由于受到声力的作用而移动聚集，从而实现细胞的操控。表面波声镊由于其易于集成，能够对细胞进行精准、非接触式和无损伤的操控的优势，在生物应用领域有着巨大的前景。传统声镊大多使用了两对相互垂直的叉指换能器来产生两束驻波场，并通过驻波场的干涉形成了四方格子声场，细胞在声场中受到声力作用聚集到按四方格子排列的波节中，从而能实现细胞的操控排列。但由于传统声镊大多使用两束驻波进行干涉，能够提供的声场样式非常有限，难以满足组织工程以及其他生物研究中对于细胞灵活排列的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片，该芯片包括六边形声镊和微流腔体，二者通过等离子键合连接到一起；其中：

微流腔体用于容纳细胞溶液，微流腔体的底部设置有微流沟道，微流腔体上还设置有至少一个细胞溶液样本入口和至少一个细胞溶液样本出口；

六边形声镊用于产生相干波束，且六边形声镊设置在微流腔体的四周；六边形声镊包括Z切铌酸锂基底，以及设置在Z切铌酸锂基底上的六个叉指换能器；每个叉指换能器的两极均通过导线引出，导线与功率放大器、信号源依次相连；

当需要进行细胞组装排列时，信号源产生射频信号经过功率放大器放大到特定功率然后施加到特定的叉指换能器上，根据不同的信号配置，不同的换能器被激活或者调制相位，每个换能器产生的声表面波传输到微流腔体中并进行干涉产生不同的声场样式；细胞溶液样本中的细胞在声场中受到声力作用被聚集到声势阱当中，从而产生对应的结构图案，实现细胞的组装排列。

进一步地，本发明的所述六边形声镊在Z切铌酸锂基底上声速与机电耦合系数具有六重对称性，并从晶向轴X轴开始每60度达到相同的最大值，共设置六个方向，叉指换能器设置在这六个方向上以产生最大声场强度。

进一步地，本发明的所述微流沟道的制作方法为：

根据软件绘制好预期的沟道形状，然后根据形状制作掩模版，通过紫外光刻技术，将图形显影于硅片，得到沟道的硅片模具；

使用有机材料聚二甲基由硅氧烷，在硅片模具上浇注未凝固的聚二甲基由硅氧烷，在75摄氏度的温度下热烘1小时即可凝固，得到半成品；

经过切割以及通过等离子火焰加工与载玻片粘合得到该微流沟道。

进一步地，本发明的所述叉指换能器的制作方法为：

将光刻胶均匀粘在铌酸锂基底上；

通过紫外光刻得到预期的换能器图案，经过显影，设计电极的区域光刻胶被洗掉；

通过热蒸发分别蒸镀5nm铬和50nm金到基底上，经过丙酮清洗，基底便只有电极的图案区域覆盖铬和金，其它有光刻胶的区域的镀层被洗掉，得到叉指换能器。

进一步地，本发明的所述微流腔体上设置有两个细胞溶液样本入口和一个细胞溶液样本出口，细胞溶液样本通过注射器连接的针头注射进细胞溶液样本入口，并通过细胞溶液样本出口收集废液。

进一步地，本发明的所述六个叉指换能器记作叉指换能器K₁、叉指换能器K₂、叉指换能器K₃、叉指换能器K₄、叉指换能器K₅、叉指换能器K₆；其被激活和调制相位得到声镊的不同控制模式包括：

当K₁-K₆同时被激活并且初始相位相同时，将获得环形势阱结构；

当K₁-K₆同时被激活，但通过相位调制K₄-K₆的相位移动π/2时，将获得渔网状结构；

当K₁、K₃、K₅关闭时，将获得蜂巢结构；

当K₁、K₂、K₃、K₅开启，且初始相位相同时，将获得X形势阱结构。

本发明提供一种用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片的细胞组装方法，包括以下步骤：

步骤1、对需要进行排列组装的细胞使用磷酸盐缓冲液重悬样本，使用注射器通过细胞溶液样本入口将细胞样本注入微流腔体中；

步骤2、根据需要的声场样式，开启相应的叉指换能器并调到相应的相位，射频信号经过功率放大器放大到1W，施加到换能器上，每个换能器的两个电极分别对应信号源的两个电极，保持信号20s，细胞便被聚集到波节的地方，形成不同的图案。

本发明产生的有益效果是：本发明的用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片，在声学特性具有六重对称性的Z切LN基底上使用六个叉指换能器产生六束相干波束进行干涉，通过不同波束组合以及各个波束的位相调制实现了不同的干涉图案，并使用干涉样式进行细胞的排列组装。这种声镊芯片首次使用了多波干涉，实现了更加灵活的表面波声场样式，使其能够更加适合多样的生物研究和组织工程的细胞操控需求，具有巨大的应用前景。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

1：微流腔体；2：细胞溶液样本入口；3：细胞溶液样本入口；4：细胞溶液样本出口；K₁-K₆：叉指换能器；

图2是本发明实施例的不同声场示意图；

图3是本发明实施例的使用声镊组装的细胞显微图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片，包含了两个部分，产生相干波束的六边形声镊以及用于容纳细胞溶液的微流腔体，二者通过等离子键合连接到一起。六边形声镊使用了Z切铌酸锂基底，在Z切铌酸锂基底上声速与机电耦合系数具有六重对称性，并从晶向轴X轴开始每60度达到相同的最大值，叉指换能器也被设计在这些方向上以产生最大声场强度。

Z切LN基底其声速和机电耦合系数具有六重对称性，从基底的X晶向开始每60度达到相同的最大机电耦合系数和最大的声速V(3895m/s)，所以为了产生相干波束，从X晶向开始每60度设计一个叉指换能器。叉指换能器的指间间距d＝λ/4，电极宽度也为d，其中λ为产生表面波的波长，所以叉指换能器的谐振频率为f＝V/λ。这里我们取f＝8MHZ，所以波长为486μm，d＝120μm。每个叉指换能器长度为1cm，由40对电极组成，平行的两个换能器间距为2cm。叉指换能器的两极通过导线引出，声波信号经过功率放大器放大到1W然后被加到叉指换能器上，通过每个换能器的相位调制和不同换能器的组合，从而在中间区域干涉形成不同的声场分布。细胞腔体部分由软性材料组成，腔体边长1cm，高度200μm，并且有两个入口和一个出口，细胞通过注射器连接的针头注射进腔体内，并通过出口收集废液。

微流沟道是通过标准的紫外光刻技术制成，先根据软件绘制好预期的沟道形状，然后根据形状制作掩模版，然后通过紫外光刻技术，将图形显影于硅片，得到沟道的模具。沟道是使用有机材料聚二甲基由硅氧烷(Polydimethylsiloxane，简称PDMS)制成，在硅片模具上浇注未凝固的PDMS，在75摄氏度的温度下热烘1小时即可凝固，得到PDMS芯片的半成品。经过切割以及通过等离子火焰加工与载玻片粘合便得到了该微流沟道。叉指换能器同样也是通过标准的紫外光刻技术制成，首先将光刻胶均匀粘在铌酸锂基底上，然后通过紫外光刻得到预期的换能器图案，经过显影，设计电极的区域光刻胶被洗掉。再通过热蒸发分别蒸镀5nm铬和50nm金到基底上，经过丙酮清洗，基底便只有电极的图案区域覆盖铬和金，其它有光刻胶的区域的镀层被洗掉。

当需要进行细胞组装排列时，信号源产生射频信号经过功率放大器放大到特定功率然后施加到特定的叉指换能器上，根据不同的信号配置，不同的换能器被激活或者调制相位，每个换能器产生的声表面波传输到腔体中并进行干涉产生不同的声场样式。细胞在声场中受到声力作用被聚集到声势阱当中，从而形成特定的排列结构。

实验中通过不同的信号配置，模拟了相应的声场分布，并且进行了人脐带静脉内皮细胞的组装排列，实验结果与模拟结果很好地吻合，证明此芯片相较于传统声镊芯片能够提供更多地组装图案，更加灵活可调，并且不需要直接接触，对细胞无损伤。在需要对细胞操控和组装地生物研究以及组织工程中展现了巨大应用前景。

六边形声镊芯片如附图1所示，该芯片主要有两个部分，产生相干波束的六边形声镊以及用于容纳细胞溶液的微流腔体，二者通过等离子键合连接到一起。叉指换能器电极也是使用紫外光刻和真空蒸镀的方式得到设计的电极图案，为了更直观展示原理，图1中的换能器只画了三对电极并且放大处理。微流沟道是使用PDMS浇注脱模制作，模具是使用标准紫外光刻技术制作的硅片。硅片模具图案是按照预先设计好的沟道图案制作的掩模版来进行紫外曝光转移到硅片上的。

图2为本发明所产生的不同声场示意图，1-当(K₁-K₆)同时被激活并且初始相位相同时，该声镊的波节分布图。2-当(K₁-K₆)同时被激活，但通过调制(K₄-K₆)的相位移动π/2时，该声镊产生的波节分布图。3-通过波矢组合调制，当(K₁、K₃、K₅)关闭时该声镊产生的波节分布图。4-对于1中的声场势阱分布图，细胞在声场中会被聚集到低声势阱的环形区域，其所受声力方向如箭头所示。

图3为使用声镊组装的细胞显微图。1-当(K₁-K₆)同时被激活并且初始相位相同时，声场分布图。2-当(K₁-K₆)同时被激活，但通过相位调制(K₄-K₆)的相位移动π/2时声场分布图。3-当(K₁、K₃、K₅)关闭时该声镊产生的声场分布图。4-当K₁、K₂、K₃、K₅)开启，且初始相位相同时该声镊产生的声场分布图。(5-8)分别使用上述信号配置时进行细胞组装显微图。

在利用本发明进行不同样式声场的形成与细胞组装排列时，步骤如下：

1.首先对需要进行排列组装的细胞使用磷酸盐缓冲液(PBS)重悬样本，这里我们使用了人脐带静脉内皮细胞(HUVECs),保持细胞密度在5×10⁶个细胞每毫升备用。然后使用注射器通过进口将细胞样本注入微流腔体中。

2.根据需要的声场样式，开启相应的换能器并调到相应的相位，这里所有六个换能器都被加上了相同相位的射频信号，频率为8MHZ。射频信号经过功率放大器放大到1W，然后施加到换能器上，每个换能器的两个电极分别对应信号源的两个电极，保持信号20s，细胞便会被聚集到波节的地方，形成不同的图案。

在本发明实施例中，如图2所示，六个换能器允许不同的组合方式以及单独的位相调控，从而产生不同的声场分布。我们以HUVECs为样本实例进行细胞的灵活组装排列，按照上述的步骤进行组装后，我们分别记录了细胞在不同的声场配置下的组装图案，并且使用了有限元的方法对相应的干涉场进行了预测和模拟。图3(1-4)展示了在不同信号下的声场图案，其中颜色较深的黑色区域为势能较低的波节位置，细胞在这些位置将达到稳定状态。图3(5-8)则显示了相应的实验图，当不同的信号被施加到换能器上之后，细胞受到声力作用快速移动到波节区域，也就是模拟图中黑色区域，实验结果能够与模拟结果很好的符合。证明此芯片能够非常灵活多样的声场，远远超过了传统表面波声镊能够提供的声场样式，并且不用直接接触，无损伤。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片，其特征在于，该芯片包括六边形声镊和微流腔体，二者通过等离子键合连接到一起；其中：

微流腔体用于容纳细胞溶液，微流腔体的底部设置有微流沟道，微流腔体上还设置有至少一个细胞溶液样本入口和至少一个细胞溶液样本出口；

六边形声镊用于产生相干波束，且六边形声镊设置在微流腔体的四周；六边形声镊包括Z切铌酸锂基底，以及设置在Z切铌酸锂基底上的六个叉指换能器；每个叉指换能器的两极均通过导线引出，导线与功率放大器、信号源依次相连；

当需要进行细胞组装排列时，信号源产生射频信号经过功率放大器放大到特定功率然后施加到特定的叉指换能器上，根据不同的信号配置，不同的换能器被激活或者调制相位，每个换能器产生的声表面波传输到微流腔体中并进行干涉产生不同的声场样式；细胞溶液样本中的细胞在声场中受到声力作用被聚集到声势阱当中，从而产生对应的结构图案，实现细胞的组装排列。

2.根据权利要求1所述的用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片，其特征在于，所述六边形声镊在Z切铌酸锂基底上声速与机电耦合系数具有六重对称性，并从晶向轴X轴开始每60度达到相同的最大值，共设置六个方向，叉指换能器设置在这六个方向上以产生最大声场强度。

3.根据权利要求1所述的用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片，其特征在于，所述微流沟道的制作方法为：

根据软件绘制好预期的沟道形状，然后根据形状制作掩模版，通过紫外光刻技术，将图形显影于硅片，得到沟道的硅片模具；

使用有机材料聚二甲基由硅氧烷，在硅片模具上浇注未凝固的聚二甲基由硅氧烷，在75摄氏度的温度下热烘1小时即可凝固，得到半成品；

经过切割以及通过等离子火焰加工与载玻片粘合得到该微流沟道。

4.根据权利要求1所述的用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片，其特征在于，所述叉指换能器的制作方法为：

将光刻胶均匀粘在铌酸锂基底上；

通过紫外光刻得到预期的换能器图案，经过显影，设计电极的区域光刻胶被洗掉；

通过热蒸发分别蒸镀5nm铬和50nm金到基底上，经过丙酮清洗，基底便只有电极的图案区域覆盖铬和金，其它有光刻胶的区域的镀层被洗掉，得到叉指换能器。

5.根据权利要求1所述的用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片，其特征在于，所述微流腔体上设置有两个细胞溶液样本入口和一个细胞溶液样本出口，细胞溶液样本通过注射器连接的针头注射进细胞溶液样本入口，并通过细胞溶液样本出口收集废液。

6.根据权利要求1所述的用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片，其特征在于，所述六个叉指换能器记作叉指换能器K₁、叉指换能器K₂、叉指换能器K₃、叉指换能器K₄、叉指换能器K₅、叉指换能器K₆；其被激活和调制相位得到声镊的不同控制模式包括：

当K₁-K₆同时被激活并且初始相位相同时，将获得环形势阱结构；

当K₁-K₆同时被激活，但通过相位调制K₄-K₆的相位移动π/2时，将获得渔网状结构；

当K₁、K₃、K₅关闭时，将获得蜂巢结构；

当K₁、K₂、K₃、K₅开启，且初始相位相同时，将获得X形势阱结构。

7.一种用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片的细胞组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对需要进行排列组装的细胞使用磷酸盐缓冲液重悬样本，使用注射器通过细胞溶液样本入口将细胞样本注入微流腔体中；

步骤2、根据需要的声场样式，开启相应的叉指换能器并调到相应的相位，射频信号经过功率放大器放大到1W，施加到换能器上，每个换能器的两个电极分别对应信号源的两个电极，保持信号20s，细胞便被聚集到波节的地方，形成不同的图案。

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