Small：声表面波驱动的微液滴中细胞微粒碰撞致细胞裂解的压电微芯片

【背景介绍】

细胞裂解是获取细胞内蛋白，细胞器以及遗传物质等物质的关键步骤。通常，细胞裂解可通过物理方法，化学方法以及生物方法来实现，例如超声裂解，酸碱裂解和酶裂解等。这些方法通常需要大量的细胞样品或较长的裂解处理时间，这对其应用产生了限制。近年来基于微流控的细胞裂解方法发展迅速，为微量细胞样品快速高效裂解提供了平台。虽然在微升液滴尺度上进行实验可以显著地降低样本的消耗以及裂解所需要的时间，但是这些方法通常也需要外电场或者裂解酶等特定结构或试剂来辅助裂解，其集成性和应用性依然受限。因此生物检测领域对于具有普适性的微量细胞快速裂解的方法依然有迫切需求。

近年来，基于声表面波的微流控技术在细胞分选以及生化传感方面大放异彩。声表面波是一种由射频信号在压电基片上激发的弹性波，其波长处于微米量级，是一种理想的在微纳米尺度进行细胞操控和处理的工具。目前，基于声表面波的微量细胞裂解方法主要是通过声场中的剪切力裂解以及声压裂解来实现，可以在高功率下实现有效的细胞裂解。然而，为获得剪切力需要构建的声子晶体结构制备复杂，而声压破碎又有相当大的功耗以及不稳定性，导致其在进一步集成应用上具有较大限制。因此，如果能够通过引入纳米或者微米量级的颗粒，使其与尺寸相近的细胞进行相互作用，由此产生的相互作用力就有望使细胞在较低的功率下实现裂解，实现低成本的细胞裂解，将会具有非常大的实用意义。

【成果简介】

近日，中央民族大学耿照新教授、中科院半导体所陈弘达研究员和山东大学刘宏教授联合设计了一种声表面波细胞裂解器件，可以实现多种细胞在微量液滴中的高效裂解，并对裂解原理和机制进行了详细的阐释介绍。该器件仅由压电基片铌酸锂（LiNbO3）衬底及其上的一对平行叉指电极（IDTs）和一端的双层3M胶带组成，其中叉指电极周期为120 mm，为了减少杂波生成，在叉指电极上设计了80个声波周期。进行裂解时，仅需在胶带前滴加5-20 mL包含有微粒和细胞的混合液滴，随后通过可调节的信号源在基片上产生行波声表面波，在基片上传播的声表面波将会耦合到含有微米颗粒和细胞的液滴中，产生声流场，带动声流场中的微粒和细胞运动。由于微粒和细胞具有不同的物理性质，在曳力作用下产生不同的加速度，因而在声流场中反复经历加速、碰撞和再加速的过程，在细胞-微粒界面处由于碰撞时巨大的动量交换产生强大的相互作用力使得细胞膜功能丧失，实现细胞裂解。经过对试验条件的优化和多种细胞裂解的尝试，找到了最优的裂解条件，实现了100%的细胞裂解。通过细胞膜胞内蛋白以及细胞核的三种荧光的裂解前后荧光对比证明了细胞裂解后胞内蛋白得到有效释放，可用于后续生化传感过程。针对不同种类微粒的裂解实验，通过扫描电镜图片捕捉并且通过模型还原了碰撞界面以及碰撞过程，通过流体动力学计算估算了不同细胞和微粒在声流场中的受力分析及加速度参数。通过与其他微量细胞裂解方法比较，说明了该方法在微量细胞裂解中具有巨大新意以及应用价值。研究成果以题 “Piezoelectric Microchip for Cell Lysis through Cell-Microparticle Collision within a Micro Droplet Driven by Surface Acoustic Wave Oscillation”作为封底（Back Cover）发表在Small上。该成果在学术流中得到众多学者认可，并有多位学者要求进行合作，开展其在“干细胞、神经元细胞”、“外泌体、微泡”、“蛋白、MircoRNA”等方面的研究。

本文第一作者是山东大学博士生王世才，在耿照新教授负责的“新材料与新器件”小组开展具体工作，刘宏教授也参与全程指导。本项工作受到国家重点研发计划“声表面波材料与器件”以及“微纳生化传感材料与器件”的支持。

【图文导读】

图一、器件制备和表征

（a）器件制备示意图。

（b）电极设计示意图。

（c）电极光刻显微镜图像。

（d）电极光刻显微镜图像。

（e）压电力显微镜（PFM）图片。

（f）PFM下的振幅高度。

（g）PFM下的相位图。

（h）器件实物图。

（i）器件示意图。

图二、裂解原理

（a）裂解前液滴中微粒与细胞分布。

（b）活细胞受力分析。

（c）声场中细胞与微粒受力与运动侧视图。

（d）死细胞受力分析。

（e）声场中细胞与微粒受力与运动主视图。

（f）裂解后细胞与微粒在液滴中的分布。

图三、裂解影响因素的探索

（a）在直径为4 mm的磁珠存在与否的情况下的细胞裂解效率。

（b）不同裂解功率下细胞的裂解效率。

（c）不同裂解时间下的细胞裂解效率。

（d）不同液滴体积下的细胞裂解效率。

（e）相同条件下，MDA-MB-231，MCF-7和hADSCs的裂解效率。

（f）直径为0.5, 2, 5, 7, 15 mm的PS球和磁珠的颗粒的细胞裂解效率。

图四、细胞裂解前后的荧光染色图片。

（a）细胞裂解前的明场图片。

（b）细胞裂解前的Dio细胞膜染色图片。

（c）细胞裂解前的RFP胞内蛋白分布图片。

（d）细胞裂解前的Hoechst细胞核染色图片。

（e）细胞裂解前的叠加图片。

（f）细胞裂解后的明场图片。

（g）细胞裂解后的Dio细胞膜染色图片。

（h）细胞裂解后的RFP胞内蛋白分布图片。

（i）细胞裂解后的Hoechst细胞核染色图片。

（j）细胞裂解后的叠加图片。

图五、不同种类和尺寸下裂解细胞的扫描电镜图像及其对应的模型分析

（a）100 nm Au颗粒作用下的细胞裂解效率。

（b）4 mm 磁珠作用下的细胞裂解效率。

（c）5 mm聚苯乙烯微流（PS）作用下的细胞裂解效率。

（d）15 mm PS作用下的细胞裂解效率。

（e）100 nm Au颗粒作用下的细胞扫描电镜图片。

（f）4 mm 磁珠作用下的细胞扫描电镜图片。

（g）5 mm PS作用下的细胞扫描电镜图片。

（h）15 mm PS作用下的细胞扫描电镜图片。

（i）100 nm Au颗粒作用下的细胞裂解碰撞模型。

（j）4 mm 磁珠作用下的细胞裂解碰撞模型。

（k）5 mm PS作用下的细胞裂解碰撞模型。

（l）15 mm PS作用下的细胞裂解碰撞模型。

表一、微粒参数和流体力学分析

表二、与其他微量细胞裂解方法的效率对比

【小结】

总的来说，研究人员通过向含有细胞的液滴中引入微米颗粒，利用声场对细胞和微粒的不同加速作用实现了细胞和微粒的碰撞，实现细胞的高效裂解。荧光实验证明经过裂解，胞内蛋白得到有效释放，为胞内物质检测提供良好的基础。因此，作为一种新型微量细胞裂解方法，该器件在癌症检测，细胞组分分析，干细胞研究等方面具有关键性的意义。

文献链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201804593

通讯作者及团队介绍：

耿照新，博士，中央民族大学信息工程学院教授，中国科学院半导体研究所光电子与微系统集成及生物医学应用研究组中“新材料与新器件”小组负责人。中央民族大学高层次人才（优秀人才），国家民族事务委员会中青年英才。自2004年至今，主要从事微纳米加工技术、微流控样品前处理技术、SPR传感器、SERS传感器、LSPR (局域表面等离子体共振)传感器、集成微流控超材料传感器、二维材料传感器、THz光谱传感技术相关研究工作。现在主持或负责多项国家重点研发计划课题或子课题，以及国家自然基金面上项目和北京市重点项目子课题，发表学术论文80余篇，开发出多套传感检测系统，研究成果已经在相关产业得到应用，或部分在产业转化的路上。目前主要开展集成微流控纳米光子学LSPR传感技术在癌症标记物多参数、多样本早期检测研究、二维材料在THz波段的调制及传感应用研究、SAW微流控器件研究和低成本微纳米制造技术研究。

陈弘达，博士，中国科学院半导体研究所研究员，中国科学院大学教授，博士生导师。国家新材料产业发展专家咨询委员会成员，国家科技重大工程“重点新材料研发及应用”实施方案编写专家组成员，“十三五”国家重点研发计划“战略性先进电子材料”实施方案编写专家组和总体专家组组长，中国光学学会光电技术专业委员会副主任，北京电子学会半导体专业委员会副主任，中国材料研究学会常务理事，《半导体科学与技术丛书》副主编。长期从事光电子与微电子学方面的科研和教学工作，目前研究方向为纳米光电器件、光电子与微电子集成。研制了CMOS硅光发射器件及阵列，硅基纳米材料光调制器与探测器，二维材料倍频器、光电混频器、双光混频器等新型纳米光电器件。研制的纳米材料光电混频器实现了光信号和电信号直接混频，研制的纳米材料光电探测器在光电信号探测的同时实现了不相干光信号直接混频。开展了与标准CMOS工艺兼容的硅基发光器件及其光电子集成电路研究，实现了CMOS光电集成回路。编著两本专著《微电子与光电子集成技术》、《甚短距离光传输技术》，参与编著《半导体科学与技术》、《Telehealthcare Computing and Engineering: Principles and Design》。在国内外重要期刊及国际学术会议发表论文100余篇，申请发明专利30余项。

刘宏，济南大学前沿交叉科学研究院、山东大学晶体材料国家重点实验室教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事，中国光学学会材料专业委员会会员理事，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。主要研究方向：纳米能源材料、生物传感材料与器件，组织工程与干细胞分化，等。十年来，主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五国家重点研发项目和自然基金重大项目、自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。2004至今，在包括Adv. Mater., Nano Letters，ACS Nano，J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater，Envir. Eng. Sci., 等学术期刊上发表SCI文章200余篇，其中，影响因子大于10的近40篇，个人文章总被引次数超过14700次，H因子为58，20余篇文章被Web of Science的ESI（Essential Science Indicators）选为 “过去十年高被引用论文”（Highly Cited Papers (last 10 years)，)，文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文，2015年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。应邀在化学顶尖期刊Chemical Society Review和材料顶尖期刊Advanced Materials和 Advanced Energy Materials上发表综述性学术论文，在国际上产生重要影响。授权专利30余项，研究成果已经在相关产业得到应用。

本文由山东大学刘宏教授的博士生王世才供稿，材料人编辑部Alisa编辑。

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