CN204039383U - 一种细胞位姿调节芯片和装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种细胞位姿调节芯片，包括依次叠加的基底层、微通道层、电极层和微流体腔层，所述电极层上开设有至少一个微孔，每个微孔的四周绕设有一个可以产生负介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳的微电极，所述微通道层上形成有微流道，所述微流道的一端连通于所述微孔，另一端与真空吸附装置连接，所述微流体腔层于所述微电极的对应位置上形成有微槽。本实用新型还公开了一种细胞位姿调节装置。本实用新型的细胞位姿调节芯片，利用行波介电泳实现细胞位置的快速调节，利用电旋转介电泳实现细胞姿态的快速调节。利用负介电泳使细胞远离电极平面，大大降低电场对细胞的影响。

Description

一种细胞位姿调节芯片和装置

技术领域

本实用新型属于生物技术领域，特别是涉及一种细胞位姿调节芯片和装置。

背景技术

20世纪70年代兴起的以基因(DNA)重组为核心的现代生物技术发展突飞猛进，已成为人类解决畜牧业、农业、医疗保健等诸多问题的重要手段。细胞显微注射技术是一种典型的生物微操作技术，广泛应用于卵胞浆内单精子显微注射、胚胎切割及移植、原核注射和克隆等领域。细胞内部结构与其形态具有对应关系，被操作细胞位置和姿态（合称位姿）对实验效率和结果具有重要影响，实验人员要求第一极体远离注射针和吸持针的操作位置，以减轻对纺锤体等细胞器的损伤。

细胞位置调节的方法主要通过吸持管，光镊，磁场，超声波，微流体来移动细胞到固定位置。其中，吸持管和光镊需要在视觉下处理，而且激光对细胞有一定影响，不适合生物实验。而磁场法操作较为复杂，且磁场对生物细胞的影响尚未明。超声波对细胞的损伤较大，不适合生物实验。而最常用的是微流体吸附平台，通过微孔抽离液体，从而带动微粒移动，最终吸附到微孔上。但是吸附到微孔上的细胞姿态是随意的，且吸附后姿态难以调整。

细胞姿态调节方法分为机械接触式位姿调节法和非接触式位姿调节法。机械接触式位姿调节法对于操作者的经验依赖度高，操作复杂且成功率低。非接触式位姿调节法包括激光法、电场法、磁场法、超声波法、微流控法等，上述非接触式细胞微操作技术具有可实现细胞任意角度调节的优越性,但存在一个共同不足,不能为微注射针穿刺细胞膜提供稳定支撑。其中，激光法通常需要搭建专用的激光发生及其辅助装置，造价非常高，而且激动对细胞有一定影响，因此难以推广使用。电场法中，采用电场让细胞在两个正交面内分别旋转以此来实现细胞三维姿态调节，但在平台的搭建和调试上将十分困难，限制了其实际的应用。磁场法和超声波法如上述所说，不适合生物实验。微流体法细胞位姿调节技术是采用流体运动产生的压力、粘性力等驱动细胞运动的原理来进行来操作。在水平面和竖直平面分别各有1对相互偏置的微管道，通过喷吐等速的流体推动细胞滚动，从而实现细胞姿态的调节，接着通过吸持管固定后注射。该方法缺点是如果细胞的尺寸、大小变化，溶液粘性有所不同的时候，需要对固定的两根玻璃微管及其流量进行重新调整甚至重新设计，对此，华南理工大学对此进行了优化，通过使用音圈马达控制微管伸缩调整，从而满足不同尺寸细胞的要求。但是，缺点仍然存在，位姿调节完成后，在进行后续操作前需要进行细胞的吸持操作，这极易再次改变细胞已经调整好的方向，对后续操作较为不利。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种细胞位姿调节芯片和装置，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型实施例公开了一种细胞位姿调节芯片，包括依次叠加的基底层、微通道层、电极层和微流体腔层，所述电极层上开设有至少一个微孔，每个微孔的四周绕设有一个可以产生负介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳的微电极， 所述微通道层上形成有微流道，所述微流道的一端连通于所述微孔，另一端与真空吸附装置连接，所述微流体腔层于所述微电极的对应位置上形成有微槽。

优选的，在上述的细胞位姿调节芯片中，所述每个微电极包括呈螺旋状绕设于所述微孔四周的四个信号电极。

优选的，在上述的细胞位姿调节芯片中，所述微电极的中部围成一中空区域。

优选的，在上述的细胞位姿调节芯片中，所述每个信号电极靠近所述微孔的一端分别与一半椭圆状电极连接。

优选的，在上述的细胞位姿调节芯片中，所述每个信号电极的宽度为20~40μm，所述相邻两个信号电极之间的间距为20~40μm。

优选的，在上述的细胞位姿调节芯片中，所述信号电极远离所述微孔的一端与模拟开关连接。

优选的，在上述的细胞位姿调节芯片中，所述电极层包括ITO玻璃以及形成于所述ITO玻璃侧边的PCB电路板，所述微电极形成于所述ITO玻璃的上表面，所述PCB电路板的边缘设置有4个信号输入端，该4个信号输入端分别通过形成于所述PCB电路板上的导电线路连接于所述4个信号电极，所述模拟开关设置于所述PCB电路板上。

本实用新型实施例还公开了一种细胞位姿调节装置，包括：

细胞位姿调节芯片；

双通道可同步信号发生器；

反相器，接收来自双通道可同步信号发生器的正弦波，并将其分成0°、90°、180°和270°的4路正弦波信号，然后输送至细胞位姿调节芯片的微电极；

倒置的显微镜与CCD，采集细胞位姿调节芯片上细胞的图像，并将该图像通过视频采集卡反馈给计算机；

计算机，连接于双通道可同步信号发生器并控制其信号的输出。

优选的，在上述的细胞位姿调节装置中，所述计算机还连接于模拟开关并控制其通断。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1）、利用行波介电泳实现细胞位置的快速调节（位置调节时间短，而且不需要视觉），利用电旋转介电泳实现细胞姿态的快速调节。

2）、利用负介电泳时细胞远离电极平面，大大降低电场对细胞的影响。

3）、细胞姿态调整时候与微孔接触，因而吸附时候不易改变细胞已经调整好的方向。

4）、每个微槽中的电极组都是独立的，可以同时独立处理单个细胞，效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型中记载的一些实施例，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所示为本实用新型具体实施例中细胞位姿调节装置的原理示意图；

图2所示为本实用新型具体实施例中细胞位姿调节芯片的结构示意图；

图3所示为本实用新型具体实施例中微流体腔层的结构示意图；

图4所示为本实用新型具体实施例中电极层的结构示意图；

图5所示为本实用新型具体实施例中微通道层的结构示意图；

图6所述为本实用新型具体实施例中微电极的结构示意图；

图7所示为本实用新型具体实施例中细胞运动的原理示意图。

具体实施方式

术语解释：

位姿：位置和姿态。

介电泳：也称双向电泳，是中性粒子在非匀强电场中受力的现象。包括，传统介电泳，行波介电泳，电旋转介电泳。

PDMS：（Polydimethylsiloxane)作为一种高分子有机硅化合物。具有光学透明，且在一般情况下，被认为是惰性，无毒，不易燃，具有良好的生物兼容性。广泛运用于生物微机电中的微流道系统等。

ITO玻璃：即氧化铟锡(Indium-Tin Oxide)透明导电膜玻璃,在超薄玻璃上溅射氧化铟锡导电薄膜镀层并经高温退火处理得到的高技术产品。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参图1所示，细胞位姿调节装置包括计算机1、双通道可同步信号发生器2、反相器3、细胞位姿调节芯片4、倒置显微镜与CCD5和视频采集卡6。

计算机1连接双通道可同步信号发生器2，控制信号输出，输出的正弦波经过反相器3得到0°、90°、180°和270°的4路所需正弦波，细胞位姿调节芯片放置于倒置显微镜上，通过CCD5采集图像，经过视频采集卡6，将数据反馈给计算机1。

参图2所示，细胞位姿调节芯片4包括依次叠加设置的基底层46、微通道层45、电极层44和微流体腔层43，各层之间通过阳离子键合。

基底层46位于最底层，其材质优选为玻璃。

参图5所示，微通道层45形成于基底层46上，微通道层45的材质优选为有机玻璃，其上表面上加工有微通道452，微通道452的数量优选设有独立的4个。

参图3和图4所示，电极层44形成于微通道层45的上表面，其包括ITO玻璃441以及形成于ITO玻璃两侧的PCB电路板442。

ITO玻璃441上分布有4个微孔432，ITO玻璃441的边缘上还设置有4个微管道42，每个微通道452的两端分别对应连通于一个微孔432和一个微管道42之间。微管道452与真空吸附装置41连接。

每个微孔432的四周分别绕设有一个可以产生负介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳的微电极443，微电极443通过在ITO玻璃441上刻蚀形成。

参图6所示，每个微电极443包括呈螺旋状绕设于微孔432四周的四个信号电极4431。微电极443的中部围成一中空区域，该中空区域的直径优选为180μm，其直径大小可以根据细胞直径、电压以及溶液等条件相应改变。每个信号电极4431靠近微孔432的一端分别与一半椭圆状电极4432连接，4个半椭圆状电极4432围成上述的中空区域。优选的，每个信号电极的宽度为20~40μm，优选为30μm，相邻两个信号电极之间的间距为20~40μm，优选为30μm。

PCB电路板442上设置有四个信号输入端4451、4452、4453和4454，以及2个模拟开关444。该4个信号输入端分别通过形成于PCB电路板上的导电线路对应连接于4个信号电极。ITO玻璃441上电路与PCB电路板442通过导电胶键合。模拟开关444设置在信号输入端与微电极之间的电路上，模拟开关的控制端与计算机1相连，由计算机1控制开关通断。

四个微电极相互独立，且每个微电极通过模拟开关与信号输入端连接，因此每个微电极可以独立实现对细胞的处理。

易于想到的是，微电极还可以仅设置有1个或其他数量，本实用新型并不进行限制，相应地，微孔以及微流道的数量与微电极数量对应改变。

微流体腔层43形成于ITO玻璃441的上表面，其材质优选为PDMS，微流体腔层43上对应四个微孔432的位置分别开设有4个贯穿其上下表面的微槽431，微槽431的直径优选为2mm，其直径大小随细胞直径而定，且每个微槽431分别与对应的微孔432同心。

上述细胞位姿调节装置的工作原理如下：

计算机1与双通道可同步信号发生器2相连，控制其输出2路同步的相位角分别为0o，90o的正弦信号；每路正弦信号通过同轴电缆线1分为2，分出来的1路接反相器3，反相得到180o和270o的正弦信号；把4路0o,90o,180o,270o的正弦信号分别按顺序接到芯片信号输入端4451~4454；模拟开关444与计算机1相连，可以通断每一路的信号。如图7所示，当微电极443通上信号后，细胞在负介电泳力作用下被排斥离电极平面，在一定高度处，负介电泳力与重力平衡，细胞悬浮；同时，细胞在行波介电泳力作用下向着电极中心区域移动；当到达中心区域后，由于中心区域间距较大（180μm），负介电泳力较小，细胞会沉降到微孔432处（如果细胞没有沉降到微孔，则由CCD5采集图像，并经视频采集卡6将数据反馈给计算机1，然后计算机1控制信号发生器2降低输出电压，使得细胞沉降）；接着，细胞在电旋转介电泳作用下在水平面转动，当细胞转动到预定位置时候，控制模拟开关444关闭该电极组信号，通过计算机1检查位姿是否符合要求，如果不符合，则继续接通信号，如果符合要求，则开启真空吸附转置41吸附细胞。细胞固定，可以进行下一步的显微注射。而其余还未完成姿态调整的可以独立继续操作。

综上所述，本实用新型的细胞位姿调节芯片，利用行波介电泳实现细胞位置的快速调节，利用电旋转介电泳实现细胞姿态的快速调节（细胞姿态调整时候与微孔接触，因而吸附时候不易改变细胞已经调整好的方向）。利用负介电泳时细胞远离电极平面，大大降低电场对细胞的影响。而且，每个微腔中的微电极都是独立的，可以同时独立处理单个细胞，效率高。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种细胞位姿调节芯片，其特征在于，包括依次叠加的基底层、微通道层、电极层和微流体腔层，所述电极层上开设有至少一个微孔，每个微孔的四周绕设有一个可以产生负介电泳、行波介电泳和电旋转介电泳的微电极， 所述微通道层上形成有微流道，所述微流道的一端连通于所述微孔，另一端与真空吸附装置连接，所述微流体腔层于所述微电极的对应位置上形成有微槽。

2.根据权利要求1所述的细胞位姿调节芯片，其特征在于：所述每个微电极包括呈螺旋状绕设于所述微孔四周的四个信号电极。

3.根据权利要求2所述的细胞位姿调节芯片，其特征在于：所述微电极的中部围成一中空区域。

4.根据权利要求2所示的细胞位姿调节芯片，其特征在于：所述每个信号电极靠近所述微孔的一端分别与一半椭圆状电极连接。

5.根据权利要求2所述的细胞位姿调节芯片，其特征在于：所述每个信号电极的宽度为20~40μm，所述相邻两个信号电极之间的间距为20~40μm。

6.根据权利要求2所述的细胞位姿调节芯片，其特征在于：所述信号电极远离所述微孔的一端与模拟开关连接。

7.根据权利要求6所述的细胞位姿调节芯片，其特征在于：所述电极层包括ITO玻璃以及形成于所述ITO玻璃侧边的PCB电路板，所述微电极形成于所述ITO玻璃的上表面，所述PCB电路板的边缘设置有4个信号输入端，该4个信号输入端分别通过形成于所述PCB电路板上的导电线路连接于所述4个信号电极，所述模拟开关设置于所述PCB电路板上。

8.一种细胞位姿调节装置，其特征在于，包括：

权利要求1至7任一所述的细胞位姿调节芯片；

双通道可同步信号发生器；

反相器，接收来自双通道可同步信号发生器的正弦波，并将其分成0°、90°、180°和270°的4路正弦波信号，然后输送至细胞位姿调节芯片的微电极；

倒置的显微镜与CCD，采集细胞位姿调节芯片上细胞的图像，并将该图像通过视频采集卡反馈给计算机；

计算机，连接于双通道可同步信号发生器并控制其信号的输出。

9.根据权利要求8所述的细胞位姿调节装置，其特征在于：所述计算机还连接于模拟开关并控制其通断。