面向细胞位姿调节的介电泳操作机理分析与实验研究

摘要

细胞显微操作技术是现代生物工程关键技术之一。大多数的细胞显微操作都需要对细胞的位置和姿态（简称位姿）进行精确调整，即先将细胞移动到指定的位置，然后旋转细胞至需要的姿态，以精确控制后续操作。传统的细胞位姿精确操控技术主要依赖人工完成，受人为因素影响，存在很多不确定性。在细胞位姿操控的精度、效率、成功率方面，均受到限制，极大的制约了现代生物微操作技术的发展。本文针对目前细胞显微操作的迫切需求，开展细胞位置以及姿态自动化调节的研究，对实现自动化的细胞显微操作具有重要的意义。
　　首先，对国内外细胞位姿操控方法进行了总结分析，针对接触式及非接触式的细胞位姿调节的优缺点，课题组创新性地提出了一种基于介电泳配合微针拨动的细胞三维位姿调节策略，可有效降低细胞操作过程中所受到的损伤，并提高位姿调节的效率和精度。该方法通过行波介电泳力完成细胞显微操作中的细胞快速移动、定位以及通过电旋转介电泳力完成细胞平面姿态调节，配合基于最小拨动力的细胞拨动方法实现细胞三维姿态的调整。
　　其次，对粒子极化理论进行了分析研究，给出了理想微球在电场中所受传统介电泳力、行波介电泳力、电旋转介电泳力矩的计算方法。在此基础上，对介电泳力影响因素进行了重点分析，并研究了芯片中细胞的受力情况和运动情况。同时，基于生物粒子单层匀质球形简化模型，建立了细胞介电泳模型，为下文细胞位姿调节的仿真及实验研究奠定了基础。最后，分析了介电泳法对细胞造成负面影响的两个因素，并基于国内外相关研究，对本文所提出的方案中介电泳对细胞活性的影响进行了详细评估。
　　然后，在基于前述理论研究的基础上，根据本文所提出的细胞位置和平面姿态调节方法，设计了细胞位姿调节芯片。并应用COMSOL Multiphysics软件建立了电场仿真模型和细胞运动仿真模型，对芯片中的电势分布，介电泳因数分布以及细胞运动轨迹等进行了仿真分析，得出了合理的实验参数，为后续的实验设计提供了依据。
　　最后，设计实验对本课题提出的细胞位姿调节方法进行论证。对实验用位姿调节芯片的制备工艺进行了研究，搭建了位姿调节实验平台。通过实验研究对比了电压大小、电场频率、溶液电导率以及有无微腔结构对细胞位姿操控的影响。通过对实验数据的分析，得到了最佳的实验参数配置，实现了细胞位置和平面姿态的快速调节。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3课题来源及主要研究内容

第二章 基于介电泳的细胞位姿调节机理分析

2.1介电泳机理分析

2.2介电泳力影响因素分析

2.3细胞运动分析

2.4介电泳对细胞活性影响分析

2.5小结

第三章 细胞位姿调节芯片的设计及仿真研究

3.1细胞位姿调节芯片的设计

3.2仿真模型的建立

3.3模型网格划分

3.4数值仿真分析

3.5小结

第四章 细胞位姿调节芯片的制备及实验研究

4.1位姿调节芯片制备

4.2实验平台搭建

4.3位姿调节实验

4.4实验结果分析

4.5小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

攻读学位期间公开发表的论文及科研成果

致谢