基于双极性电极阵列的微流控芯片，可实现细胞可控、非接触三维旋转

细胞的精确旋转在单细胞分析、药物发现和生物体分析等多个领域都具有重要意义。通过细胞的三维旋转，将有助于发现隐藏的遗传和结构细节，在显微手术、小生物表型和筛选中至关重要。然而，传统机械操作方法会对细胞产生不可逆的物理损伤，影响细胞活力，因此非接触式操作方法在远程控制、无污染等方面具有显著的优势。

目前常用的无接触式细胞操控方法主要依靠电场、光场、声场和磁场等。光场操控通常需要一个比较大的光强，会对细胞产生不可逆的损伤，并且缺乏可选择性；磁场操控通常需要对细胞进行标记，并且标记很难去除；声场操控需要频繁改变电极和通道的结构，效率较低。因此，电场操控方法因其方便、成本低、效率高而被广泛接受。

通常情况下，电场操控主要依靠介电泳力（DEP）和电旋转力矩（ROT）诱导细胞转动，然而目前依赖于DEP和ROT的方法，通常需要一个复杂的电极结构（如三维电极），并且通量十分有限。

为解决上述问题，近日，西北工业大学黄维院士、王学文教授、吴玉潘副教授带领研究团队设计了一种基于双极性电极阵列（BPE）的微流控芯片，使细胞在介电泳力（DEP）、电旋转力矩（ROT）和电渗流（ICEO）的综合作用下进行可控的三维旋转，并进一步利用平面内旋转的旋转谱提取了细胞介电特性，为不同种类细胞的可控、非接触和精确旋转提供了一种灵活、高通量和无损的方法。相关研究成果以“Three-Dimensional Rotation of Deformable Cells at a Bipolar Electrode Array Using a Rotating Electric Field”为题，发表在英国皇家化学会期刊Lab on a Chip上。

图1 细胞三维旋转的工作机理及微流控芯片结构示意图

该微流控装置利用四个ITO电极产生旋转电场，并在中心的双极性电极阵列上诱导产生DEP、ROT和ICEO涡流，通过对施加信号的频率调节，可以实现细胞绕X轴、Y轴和Z轴的三维旋转。

该研究选用酵母菌细胞和K562细胞，在高频信号作用下，细胞受到DEP和ROT的主导作用进行平面内旋转，根据两种细胞的CM因子及电旋转力矩的仿真结果，通过调整施加信号的频率，可随意调节细胞的旋转速度和方向；在低频信号作用下，细胞受到ICEO的主导作用并陷入ICEO涡流在电极边缘发生平面外旋转。

在旋转电场的作用下，细胞在电极边缘受到行波介电泳力（twDEP）的作用，从而绕着电极边缘进行平面内旋转，细胞的旋转方向和速度均可通过改变施加信号的频率来调节。因此基于twDEP和ICEO，本工作提出一种细胞的精确旋转方法，使细胞在双极性电极的任意位置进行平外面旋转。首先施加一个高频信号，使细胞在cDEP和twDEP的综合作用下绕电极边缘进行平面内旋转，当细胞运动到指定位置时，立刻将信号切换为低频信号，细胞便会在指定位置陷入ICEO涡流发生平面外旋转。这可以作为一种简单无害的方法来稳定地捕获细胞，并使细胞不依赖于自身特性进行平面外旋转，有利于细胞的三维成像。

图2 酵母菌细胞的可控三维旋转  



图3 K562细胞的可控三维旋转  

基于酵母菌细胞和K562细胞的面内转速与自身电学参数的关系，该研究最后利用实验中测出的细胞面内转速在MATLAB中拟合出了细胞质电导率及细胞膜介电常数，并利用拟合出的电学参数重新绘制了两种细胞的CM因子，拟合结果和现有文献报道数据非常接近。

总体而言，ICEO与DEP结合具有无损、灵活操纵细胞的优越能力。无线双极性电极阵列的使用消除了对复杂电极结构设计和制造过程的需要，扩大了操作区域，并允许以预定的方式进行单个或多个细胞的非接触和高精度旋转。本方法不仅可以从任意角度观察三维细胞，而且在研究细胞特性、药物发现和显微手术方面具有巨大的潜力，在生物工程、医学和细胞生物学等领域具有重要的价值。

审核编辑：刘清