【摘要】：细胞是生物及生命活动的基本单位，利用微流控芯片技术来操纵和研究细胞，通过研究单细胞可以看出细胞异质性对机体功能和状态的影响，研究不同单细胞的病理特征，对分析细胞代谢、细胞紊乱等细胞活动具有非常重要的意义。细胞分离和单细胞捕获作为研究单细胞的重要手段，其在生命科学和化学分析等领域中有着广泛应用。


本研究结合了介电泳原理非侵入、免标记和流体动力学原理低成本的优点，设计并制作了集成单细胞捕获的介电泳连续分离微流控芯片，并利用细胞受到的不同大小或方向的介电泳力而实现细胞分离，利用微捕获结构来捕获单细胞，通过实验实现了在一个微流控芯片上集成细胞分离和单细胞捕获两种功能，本研究主要内容如下:


首先，介绍了介电泳原理和流体动力学原理，根据粒子的偶极矩公式推导出了介电泳力的公式，分析粒子结构并建立等效细胞的多层球壳模型，确定了微流体中的粒子受到的主要作用力，用MATLAB仿真软件进行介电频率响应仿真，得到了酵母菌细胞、聚苯乙烯小球、THP-1细胞和OCI细胞的Re[K(ω)]曲线。通过理论分析，设计了细胞分离的微电极和单细胞捕获结构，利用辅助软件AutoCAD、Solidworks建立微流控芯片的模型，导入COMSOL仿真软件，来研究分析微流控芯片的内部电场和流场分布。


其次，根据微流控芯片的结构和功能，选用湿法腐蚀ITO和溅射金属铂来制作微电极，以硅片为基底用SU8负胶光刻制作微通道和捕获结构的模具，再用PDMS来制作微通道和捕获结构，之后用过氧等离子键合技术对微流控芯片进行键合，来完成芯片的制作。


最后，搭建了用微流控芯片进行实验的测试平台。先用ITO微电极微流控芯片分离酵母菌细胞和聚苯乙烯小球；培养两种直径相近的人类白血病细胞(OCI-AML3细胞和THP-1细胞)，通过荧光染色分别处理OCI细胞和THP-1细胞，用铂微电极微流控芯片进行细胞分离实验，实现了OCI细胞与THP-1细胞的连续分离，并对THP-1细胞进行单细胞捕获，细胞纯化率在94%以上，单细胞捕获效率大于94%。