CN112779154A - 一种电穿孔装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电穿孔装置，包括电极座、两片电极、垫圈；所述两片电极相对安装在所述电极座内；所述垫圈设置在两片电极之间；所述电穿孔装置还包括能使所述电极产生的电场，形成非均匀电场强度的零件/部件。本发明装置，可以以较低的制作和加工成本，将电极间距设置到常规的1mm数量级左右，并且大大降低电穿孔实验需要的施加电压，保证使用的安全性，而且细胞存活率比传统电穿孔技术更高。

Description

一种电穿孔装置及系统
技术领域
本发明涉及细胞电穿孔技术领域，尤其是涉及一种电穿孔装置及系统。
背景技术
细胞电穿孔又称之为电转染，是细胞转染技术中常用的一种途径。由于细胞膜对外界物质具有选择透过性，控制真核细胞基因实验需要向真核细胞输入特定的生物DNA、RNA片段。在细胞膜两侧施加一定强度的电势差并持续一段时间，细胞膜上就能产生微孔，增强细胞膜的通透性。当细胞膜发生电穿孔时，其通透性和膜电导会瞬时增大，从而使亲水分子、DNA、蛋白质、病毒颗粒、药物颗粒等正常情况下不能通过细胞膜的分子得以进入细胞。在短时间撤除电势差后，细胞膜可自我恢复，重新成为选择性的通透屏障。因此，与传统的化学转染和病毒转染相比，电穿孔更具有广泛的适用性和优越性，其适用于质粒和几十KB的基因组片段，且无化学或病毒污染，无细胞永久性损伤以及瞬时性的优势。电穿孔技术在生物物理学、分子生物学、临床医学等领域具有广阔的应用前景。
发明人在研究中发现，现有的电穿孔装置依照电极间距可分为两种：一种是电极间距1-4mm的标准电转杯，电极间距设置在毫米尺度，而细胞大小为微米尺度，因此需要施加的电压大(一般从几百伏至上千伏)，并且电场不均匀，不同细胞所处的电场环境不尽相同，临近电极的细胞容易死亡，处于较弱电场处的细胞又不能发生电穿孔；另一种是电极间距为微间距1-100um的电穿孔装置，这种装置电极间距小，需要施加的电压就大大降低，提高了安全性，然而这种装置由于电极间距小，制作成本就比较高，一般需要微纳加工技术。故，需要提供一种低制作成本、并且安全性较高的电穿孔装置。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种电穿孔装置，可以以较低的制作和加工成本，将电极间距设置到常规的1mm数量级左右，并且大大降低电穿孔实验需要的施加电压，保证使用的安全性，同时提高细胞存活率和电穿孔效率。
一种电穿孔装置，包括电极座、两片电极、垫圈；所述两片电极相对安装在所述电极座内；所述垫圈设置在两片电极之间；
所述电穿孔装置还包括能使所述电极产生的电场，形成非均匀电场强度的零件/部件；电极、垫圈、零件/部件共同围成电穿孔腔体。
所述零件或部件为微孔滤膜，其上的微孔尺度与待电穿孔的细胞的大小尺度相近或更小，由电极、垫圈、微孔滤膜共同围成电穿孔腔体。
所述电极座包括可在外力作用下分离的上盖和下盖。
所述上盖和所述下盖均安装有一片电极。
所述垫圈的厚度为1mm。
所述微孔滤膜的厚度为20μm。
所述微孔滤膜的孔密度为1×109个/cm2。
所述微孔滤膜上的膜孔孔径为0.22μm。
一种电穿孔系统，所述系统包括上述电穿孔装置和温控模块，所述温控模块用于控制电穿孔装置的温度。
所述温控模块可以设置为控温箱或水浴装置。
所述电极座的外形为规则几何结构。
本发明提供的一种电穿孔装置，包括电极座、两片电极、垫圈和使电极之间电场为非均匀电场的零件或部件，由电极、垫圈和零件或部件共同围成电穿孔腔体，在部分空间的电场相对较强，在此空间又用于容纳细胞，因此相比于传统技术，制作成本相当，而需要施加的电压较小，保证使用的安全性；而且由于被电穿孔的细胞只是靠近膜孔口的部分细胞膜处于高电场环境，因而相比传统技术的整个细胞处于高电场环境，细胞膜被高电场破坏导致细胞死亡的概率更低，从而细胞存活率比传统电穿孔技术更高。
附图说明
图1a是本发明实施例提供的电穿孔装置的外部结构示意图；
图1b是本发明实施例提供的电穿孔装置的剖视图；
图2是本发明实施例提供的电穿孔装置的爆炸视图；
图3是本发明实施例提供的电穿孔装置的模块化结构示意图。
图4为电穿孔装置的电场仿真模拟结果图，模拟条件设置为电极间距1mm，对电极施加20V电压。图中间位置的柱状体为一个膜孔。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明中的操作流程或方法，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他工具，都属于本发明保护的范围。
参见图1a、图1b和图2，本发明实施例提供了一种电穿孔装置，主要包括电极座、电极、微孔滤膜、垫圈。图中：1为电极座，2为电极，3为垫圈，4为微孔滤膜。
两个电极成对放置，中间通过垫圈隔开，微孔滤膜同样位于两个电极之间，贴紧在其中一个电极表面。由两个电极、垫圈、微孔滤膜共同围成的腔体即为电穿孔腔体，对两个电极施加一定电压时，在电穿孔腔体内形成一定电场强度，在微孔滤膜的膜孔内和膜孔口附近区域，会形成局部很高的电场强度，因而只需要很低的电压，就能达到足够高的电场强度让靠近滤膜的膜孔口位置的细胞成功电穿孔。
该装置垫圈与微孔滤膜的厚度之和就是两个电极的间距，爆炸视图如图2所示，这里我们采用的垫圈厚度1mm(所述垫圈厚度可以在毫米至厘米尺度内选择，本发明中优选1mm以方便与电极间距1mm的标准电击杯对照。)，微孔滤膜厚度20μm，微孔滤膜孔径0.22μm(微孔滤膜的厚度和孔密度都可以选择其它数值的厚度和孔密度；微孔滤膜的膜孔孔径也可以选择其它大小的孔径)。细胞的直径一般在1μm以上，细胞无法进入到膜孔内，只有靠近膜孔口位置的细胞会被成功电穿孔，由于微孔滤膜上有很多膜孔，其膜孔密度一般为1*109个/cm2左右，所以施加一次电压可以有很多细胞被成功电穿孔。
细胞液装入电穿孔装置进行电穿孔操作的步骤如下：拿开电极座上盖和上面的电极，将需要电穿孔的细胞液和质粒同时或分别加入电穿孔腔体内，再重新盖上上面的电极和电极座上盖，然后采用静置方法(也可以采用离心或化学材料吸附或生物吸附等方法)让细胞和质粒尽可能的靠近微孔滤膜，然后对两个电极施加电压，即可实现细胞电穿孔。由于装置内的不均匀电场，所以只需要很低的电压即可实现细胞的电穿孔操作，从而极大降低了细胞电穿孔对电源的要求，也提高了操作安全性(用传统的1mm间距标准电击杯，需要几百到上千伏的电压才能实现细胞电穿孔)，而且由于被电穿孔的细胞只是靠近膜孔口的部分细胞膜处于高电场环境，因而相比传统技术的整个细胞处于高电场环境，细胞膜被高电场破坏导致细胞死亡的概率更低，从而细胞存活率比传统电穿孔技术更高。
本发明装置进行电穿孔时，膜孔口附近的电场强度随着与膜孔口距离的增加而急剧降低，如图4所示，通过仿真模拟得到微孔滤膜的膜孔内和膜孔口附近的电场强度比其它区域高得多，膜孔口附近的电场强度随着与膜孔口距离的增加而急剧降低。
还可以采用其它在电场中能形成非均匀电场强度带有孔状结构的零件，代替微孔滤膜。
进一步地，由于温度对细胞电穿孔的成功率影响很大，为了保证细胞电穿孔成功率，还可以增加温度控制功能，比如给电极座设置冷却水环绕腔体，或者让电穿孔装置整体放于一个受控温箱内，维持在一个合适的温度范围进行电穿孔操作(在电穿孔实验中，需要尽量保证整个实验过程在4℃环境下进行，否则无法成功电穿孔)。
进一步地，如图3，由于该模块可以做成规则的几何结构，因此还可以对其进行模块化设计，将其集成到自动化设备内，实现细胞电穿孔的自动连续流操作。其一种模块化设计示例如图3所示：图中101、102是细胞液的流入口和流出口，在垫圈上设置有相应的通孔，细胞液从流入口101进入电穿孔腔体，然后让细胞和质粒尽可能的靠近微孔滤膜，例如采用如静置(重力作用)、离心、生物吸附、化学吸附等多种方式方法让细胞和质粒尽可能的靠近微孔滤膜，然后对两个电极施加电压实现细胞电穿孔，继续推动细胞液从出口102流出电穿孔腔体，随着细胞液的连续流动，对电极连续施加电压，从而实现细胞电穿孔的连续流操作。
本发明提供的一种电穿孔装置，包括电极座、两片电极、垫圈和微孔滤膜，由电极、垫圈和微孔滤膜共同围成电穿孔腔体，在膜孔附近形成的电场相对较强，微孔的尺寸与待电穿孔的细胞的大小尺度相近或更小，因此相比于传统技术，制作成本相当，而需要施加的电压较小，保证使用的安全性；而且由于被电穿孔的细胞只是靠近膜孔口的部分细胞膜处于高电场环境，因而相比传统技术的整个细胞处于高电场环境，细胞膜被高电场破坏导致细胞死亡的概率更低，从而细胞存活率比传统电穿孔技术更高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电穿孔装置，其特征在于：包括电极座、两片电极、垫圈；所述两片电极相对安装在所述电极座内；所述垫圈设置在两片电极之间；
所述电穿孔装置还包括能使所述电极产生的电场，形成非均匀电场强度的零件/部件；电极、垫圈、零件/部件共同围成电穿孔腔体。
2.根据权利要求1所述的电穿孔装置，所述零件或部件为微孔滤膜，其上的膜孔尺度与待电穿孔中细胞的大小尺度相近或更小，由电极、垫圈、微孔滤膜共同围成电穿孔腔体。
3.根据权利要求2所述的电穿孔装置，其特征在于，微孔滤膜的厚度为20μm。
4.根据权利要求3所述的电穿孔装置，其特征在于，所述微孔滤膜的孔密度为1×109个/cm2。
5.根据权利要求1所述的电穿孔装置，其特征在于，所述电极座包括可在外力作用下分离的上盖和下盖。
6.根据权利要求5所述的电穿孔装置，其特征在于，所述上盖和所述下盖均安装有一片电极。
7.根据权利要求1所述的电穿孔装置，其特征在于，所述垫圈的厚度为1mm。
8.一种电穿孔系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1所述的电穿孔装置和温控模块，所述温控模块用于控制电穿孔装置的温度。
9.根据权利要求8所述的电穿孔系统，其特征在于，所述温控模块设置为控温箱或水浴装置。
10.根据权利要求8所述的电穿孔系统，其特征在于，电极座为规则几何结构。
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