CN116037231A - 单细胞穿孔微流控芯片、系统、制备方法和穿孔方法 - Google Patents

单细胞穿孔微流控芯片、系统、制备方法和穿孔方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种单细胞穿孔微流控芯片、系统、制备方法和穿孔方法，涉及微流控技术领域，包括基底晶片，以及基底晶片上的PDMS微流道和表面波换能器，PDMS微流道包括样品溶液流道和两条电极溶液流道，两条电极溶液流道分别位于所述样品溶液流道的两侧，样品溶液流道与两侧的电极溶液流道通过微毛细孔结构连通，所述两条电极溶液流道通压后形成液体电极，所述声表面波换能器的声场区域作用于所述微毛细孔结构。

Description

单细胞穿孔微流控芯片、系统、制备方法和穿孔方法
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及单细胞穿孔微流控芯片、系统、制备方法和穿孔方法。
背景技术
单细胞分析对于癌症等重大疾病的早期诊断和精准治疗具有重要的意义，是未来生物芯片的基石和战略制高点，以往的大部分研究都是针对细胞种群的传统方法，而不针对生物学最基本的单位，即单个细胞。随着基因测序和精准医疗的蓬勃发展，人们逐渐清晰地认识到细胞之间存在着广泛的异质性，也就是说即使假设细胞群在物理特征上是同质的，基因组表达和平均测量值通常会掩盖单细胞差异。从本质上讲，生物学的许多关键领域需要只能在单细胞水平上解决的研究，例如干细胞分化和疾病进展。从单细胞进行研究可以在更加深入的层次上面研究关于生命活动的本质和规律。
随着基因载体的改良、嵌合抗原受体T细胞免疫治疗的兴起以及基因组编辑技术的突破，基因治疗再次回到疾病治疗的中心舞台。这一技术为肿瘤，遗传性疾病，自身免疫疾病带来了新的治疗方法。然而，即使目前基因编辑技术不断蓬勃发展，将编辑之后的基因转入受体细胞成为了基因治疗过程中的另一大难题，目前比较主流的外源基因转移方法主要有化学法和物理法，其中化学法是通过化学物质增加细胞膜的通透性，使细胞膜允许大分子物质进入，但是该方法的转染效率极低，一般需要大量的受体细胞，物理法包括电穿孔法和直接显微注射法，电穿孔方法一般会对细胞造成损伤，导致细胞活性下降或者死亡，而直接显微镜法耗时费力，成本较高。目前仍缺少一种在单细胞层次上分析外源基因表达情况的方法或设备，从而对基因转染在细胞中的异质性进行研究。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出一种单细胞穿孔微流控芯片。
具体包括一种单细胞穿孔微流控芯片，包括基底晶片，以及基底晶片上的PDMS微流道和表面波换能器，PDMS微流道包括样品溶液流道和两条电极溶液流道，两条电极溶液流道分别位于所述样品溶液流道的两侧，样品溶液流道与两侧的电极溶液流道通过微毛细孔结构连通，所述两条电极溶液流道通压后形成液体电极，所述声表面波换能器的声场区域作用于所述微毛细孔结构。
可选的，所述的声表面行波换能器与PDMS微流道的距离范围为3mm～5mm。
可选的，所述的PDMS微流道为聚二甲基硅氧烷微流道，所述基底晶片采用铌酸锂晶片。
可选的，所述表面波换能器为聚焦型表面行波叉指换能器，该聚焦型表面行波叉指换能器是通过光刻和电子束蒸发的方式在铌酸锂晶片表面沉积而成，选用的电极材料为金。
可选的，所述聚焦型表面行波叉指换能器有25对叉指和10条反射栅，叉指之间的间隔为50um，波长为200um。
可选的，所述两条电极溶液流道内用于盛放导电率高于200uS/cm的盐溶液。
本发明还提出一种单细胞穿孔微流控芯片制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在硅片表面旋涂一层光刻胶，制作形成表面有微毛细孔结构凸起的光刻胶保护层；
步骤2：将步骤1得到的硅片向下刻蚀凹槽，之后将刻蚀完成的硅片表面残余的光刻胶；
步骤3：将步骤2得到的硅片表面旋涂一层光刻胶，制作形成表面有微流道凸起的光刻胶层，之后进行坚膜，并进行硅片表面的疏水处理；
步骤4：将聚二甲基氧硅烷的前驱体和固化剂按照比例混合均匀，滴涂在步骤3得到的具有凸起的硅片表面，固化，之后揭下PDMS膜并将其切割后备用；
步骤5：在干净平整的铌酸锂表面制作带有声表面波器件图案的光刻胶层；
步骤6:在步骤5得到的铌酸锂基片表面制备一层金属金，之后进行剥离，得到表面带有金属电极的铌酸锂器件，进行切割后进行备用；
步骤7:将步骤4中获得的PDMS微流道和步骤6得到的声表面波器件清洗之后将两者进行键合，得到封装后的声表面波单细胞穿孔微流控芯片。
本发明还提出一种单细胞穿孔微流控系统，包括单细胞穿孔微流控芯片，还包括控制电路板、电压放大器和高频功率放大器，所述控制电路板连接电压放大器和所述高频功率放大器，所述电压放大器的输出端连接两条电极溶液流道，所述高频功率放大器连接聚焦型表面波换能器。
本发明还提出一种单细胞穿孔方法，采用上述单细胞穿孔微流控系统，实现单细胞捕获和穿孔方法，包括以下步骤：
单细胞穿孔微流控芯片使用时，在电极溶液流道内充满高导电率的盐溶液，将两电极溶液流道通过引线和电压放大器连通，表面波换能器通过引线连接控制电路板和高频功率放大器，其中所述电压放大器和高频功率放大器初始状态为关闭状态；
将混有细胞和质粒的溶液注入样品溶液流道，等到流速均匀稳定后，开启电压放大器通过微毛细孔产生的介电泳力进行细胞捕获，完成单细胞捕获之后开启高频功率放大器进行声波穿孔处理，完成处理后关闭电压放大器释放捕获细胞，并在样品溶液流道的出口收集。
可选的，本方案可通过改变连接至电极溶液流道的电压选择需要捕获的单细胞种类。
本发明的有益效果是：
本发明采用液体电极作为添加捕获电场所用电极，避免了使用金属电极可能会造成沟道内部污染的情况，同时液体电极也减小了器件的复杂程度，电极和样品通道集成在PDMS膜表面，制备简单，成本低廉。
本发明采用声波进行细胞穿孔操作，声波对细胞损伤作用小，并且在撤去声场之后细胞膜能够快速恢复，从而保证了细胞在处理前后的活性没有明显差异。
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，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是微流控芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。以下描述中，参考形成本申请一部分并以说明之方式示出本申请实施例的具体方面或可使用本申请实施例的具体方面的附图。应理解，本申请实施例可在其它方面中使用，并可包括附图中未描绘的结构或逻辑变化。因此，以下详细描述不应以限制性的意义来理解，且本申请的范围由所附权利要求书界定。另外，还应理解的是，除非另外明确提出，本文中所描述的各示例性实施例和/或方面的特征可以相互组合。
实施例1：
一种单细胞穿孔微流控芯片，包括基底晶片10，以及基底晶片上的PDMS微流道20和声表面波换能器30，PDMS微流道包括样品溶液流道21和两条电极溶液流道22，两条电极溶液流道22分别位于所述样品溶液流道21的两侧，样品溶液流道21与两侧的电极溶液流道22通过微毛细孔结构23连通，所述两条电极溶液流道22通压后形成液体电极，所述声表面波换能器30的声场区域作用于两个微毛细孔结构23。参考图1。
通过以上结构，单细胞穿孔微流控芯片分为样品输入区域、细胞捕获区域、声波穿孔区以及样品收集区，其中样品输入区域通过注射器连接导管之后与入口连通，细胞捕获区通过微毛细孔结构对单细胞进行捕获，微毛细管与电极液体流道和样品溶液流道连通，通过电极液体流道接通电压产生位于毛细孔附近的电场梯度，液体电极分别位于样品流道两侧；声波穿孔区即声表面波换能器声场区域覆盖两个微毛细孔结构产生的捕获区，通过位于PDMS微流道一侧的声表面波换能器沿着垂直于流道方向产生；样品收集区用于连接样品收集导管之后注入用于收集样品的离心管当中，样品收集区位于样品溶液流道的尾部。
为了解决针对特定单细胞选择性穿孔并进行外源基因转染研究，并充分探寻单个细胞对于外源基因表达的异质性，本方案利用微毛细孔辅助介电泳结构辅助进行单细胞选择性捕获，通过声表面波换能器激发的具有固定频率的声表面行波对捕获单细胞进行处理，使细胞膜表面能在声场作用下进行扩张，从而允许外源基因物质进入细胞内部进行表达。
作为一种可选项，微毛细孔的宽度为2-3um，长度为20-25um，高度为5-7um，液体电极流道宽度为20-25um，高度为45-50um，样品流道宽度为50-55um，高度为45-50um。本方案中的各个长度、宽度、高度等参数均属于可调节参数，不做具体的大小范围限定。
作为一种优选项，所述的声表面波换能器与PDMS微流道的距离范围为3mm-5mm。
作为一种优选项，所述的PDMS微流道为聚二甲基硅氧烷微流道，所述基底晶片采用铌酸锂晶片。所述微流控管道通过PDMS结构形成，PDMS结构和铌酸锂基底通过等阳离子清洗之后键合。
作为一种优选项，所述声表面波换能器为聚焦型表面行波叉指换能器，所述聚焦型声表面波叉指换能器直接形成在铌酸锂基底上。
作为一种优选项，所述聚焦型表面行波叉指换能器有25对叉指和10条反射栅，叉指之间的间隔为50um，波长为200um。
所述两条电极溶液流道内用于盛放导电率高于200uS/cm的盐溶液。由于毛细管与液体电极连通的，在毛细管和中间的样品流道接触的部分会产生一个较大的电场梯度，细胞由于受到介电泳力朝向电场梯度大的地方也就是微毛细孔结构附近移动，对于同种频率的电压，不同大小的细胞会受到不同大小的作用力，粒子的直径越大受力越大，因此部分细胞受到的电场吸附力会大于流体的斯托克斯拖曳力从而被捕获，而另一部分受到的吸附力不能克服拖曳力被水流冲走，这样就可以实现特定细胞的捕获，此外，同种细胞在不同频率下受到的介电泳力大小也不同，因此可以通过调节电场频率来实现单细胞的捕获。
实施例2：
公开一种单细胞穿孔微流控芯片制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在硅片表面旋涂一层光刻胶，制作形成表面有微毛细孔结构凸起的光刻胶保护层；
步骤2：将步骤1得到的硅片向下刻蚀凹槽，之后将刻蚀完成的硅片表面残余的光刻胶；
步骤3：将步骤2得到的硅片表面旋涂一层光刻胶，制作形成表面有微流道凸起的光刻胶层，之后进行坚膜，并进行硅片表面的疏水处理；
步骤4：将聚二甲基氧硅烷的前驱体和固化剂按照比例混合均匀，滴涂在步骤3得到的具有凸起的硅片表面，固化，之后揭下PDMS膜并将其切割后备用；
步骤5：在干净平整的铌酸锂表面制作带有声表面波器件图案的光刻胶层；
步骤6：在步骤5得到的铌酸锂基片表面制备一层金属金，之后进行剥离，得到表面带有金属电极的铌酸锂器件，进行切割后进行备用；
步骤7：将步骤4中获得的PDMS微流道和步骤6得到的声表面波器件清洗之后将两者进行键合，得到封装后的声表面波单细胞穿孔微流控芯片。
实施例3
公开一种单细胞穿孔微流控系统，包括实施例1公开的微流控芯片，还包括控制电路板、电压放大器和高频功率放大器，所述控制电路板连接电压放大器和所述高频功率放大器，所述电压放大器的输出端连接两条电极溶液流道，所述高频功率放大器连接声表面波换能器。
基于该一种单细胞穿孔微流控系统，进一步公开一种单细胞穿孔方法，包括以下步骤：
微流控芯片使用时，在电极溶液流道内充满高导电率的盐溶液，将两电极溶液流道通过引线和电压放大器连通，表面波换能器通过引线连接控制电路板和高频功率放大器，其中所述电压放大器和高频功率放大器初始状态为关闭状态；
将混有细胞和质粒的溶液注入样品溶液流道，等到流速均匀稳定后，开启电压放大器进行细胞捕获，完成单细胞捕获之后开启高频功率放大器进行声波穿孔处理，完成处理后关闭电压放大器释放捕获细胞，并在样品溶液流道的出口收集。
作为一种可选项，本方案可以实现通过改变连接至电极溶液流道的电压选择需要捕获的单细胞种类。在该微毛细孔结构上，根据不同细胞在不同频率电场情况下会受到不同大小的力的作用，能够选择性对单细胞进行捕获，从而在单细胞水平研究外源基因转染到细胞内部表达的异质性。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种单细胞穿孔微流控芯片，其特征在于，包括基底晶片，以及基底晶片上的PDMS微流道和表面波换能器，PDMS微流道包括样品溶液流道和两条电极溶液流道，两条电极溶液流道分别位于所述样品溶液流道的两侧，样品溶液流道与两侧的电极溶液流道通过微毛细孔结构连通，所述两条电极溶液流道通压后形成液体电极，所述声表面波换能器的声场区域作用于所述微毛细孔结构。
2.根据权利要求1所述的单细胞穿孔微流控芯片，其特征在于，所述的声表面行波换能器与PDMS微流道的距离范围为3mm-5mm。
3.根据权利要求1所述的单细胞穿孔微流控芯片，其特征在于，所述的PDMS微流道为聚二甲基硅氧烷微流道，所述基底晶片采用铌酸锂晶片。
4.根据权利要求1所述的单细胞穿孔微流控芯片，其特征在于，所述表面波换能器为聚焦型表面行波叉指换能器。
5.根据权利要求4所述的单细胞穿孔微流控芯片，其特征在于，所述聚焦型表面行波叉指换能器有25对叉指和10条反射栅，叉指之间的间隔为50um，波长为200um。
6.根据权利要求1所述的单细胞穿孔微流控芯片，其特征在于，所述两条电极溶液流道内用于盛放导电率高于200uS/cm的盐溶液。
7.一种单细胞穿孔微流控系统，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的单细胞穿孔微流控芯片，还包括控制电路板、电压放大器和高频功率放大器，所述控制电路板连接电压放大器和所述高频功率放大器，所述电压放大器的输出端连接两条电极溶液流道，所述高频功率放大器连接声表面波换能器。
8.一种单细胞穿孔方法，其特征在于，采用权利要求7所述的单细胞穿孔微流控系统，包括以下步骤：
微流控芯片使用时，在电极溶液流道内充满高导电率的盐溶液，将两电极溶液流道通过引线和电压放大器连通，表面波换能器通过引线连接控制电路板和高频功率放大器，其中所述电压放大器和高频功率放大器初始状态为关闭状态；将混有细胞和质粒的溶液注入样品溶液流道，等到流速均匀稳定后，开启电压放大器通过微毛细孔产生的介电泳力进行细胞捕获，完成单细胞捕获之后开启高频功率放大器进行声波穿孔处理，完成处理后关闭电压放大器释放捕获细胞，并在样品溶液流道的出口收集。
9.根据权利要求8所述的单细胞穿孔方法，其特征在于，通过改变连接至电极溶液流道的电压选择需要捕获的单细胞种类。
10.一种微流控芯片制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-6任意一项所述的单细胞穿孔微流控芯片，包括以下步骤：
步骤1：在硅片表面旋涂一层光刻胶，制作形成表面有微毛细孔结构凸起的光刻胶保护层；
步骤2：将步骤1得到的硅片向下刻蚀凹槽，之后将刻蚀完成的硅片表面残余的光刻胶；
步骤3：将步骤2得到的硅片表面旋涂一层光刻胶，制作形成表面有微流道凸起的光刻胶层，之后进行坚膜，并进行硅片表面的疏水处理；
步骤4：将聚二甲基氧硅烷的前驱体和固化剂按照比例混合均匀，滴涂在步骤3得到的具有凸起的硅片表面，固化，之后揭下PDMS膜并将其切割后备用；
步骤5：在干净平整的铌酸锂表面制作带有声表面波器件图案的光刻胶层；
步骤6:在步骤5得到的铌酸锂基片表面制备一层金属金，之后进行剥离，得到表面带有金属电极的铌酸锂器件，进行切割后进行备用；
步骤7:将步骤4中获得的PDMS微流道和步骤6得到的声表面波器件清洗之后将两者进行键合，得到封装后的单细胞穿孔微流控芯片。
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