太赫兹超材料器件在癌症诊疗领域的应用研究

Treatment of cancer is closely related to the survival of mankind. Detecting circulating tumor cells (CTC) that enter the blood circulation in a timely manner and analyzing the captured amount and cell characteristics serve as an important means for early treatment of cancer. Currently, researchers have demonstrated microfluidic devices that can capture CTC in blood samples, but later cell analysis has to be done on other platforms separately. Single-cell-capturing microfluidic devices have also been reported which possess great potential in cell analysis. But its analyzing process is too manual to be time-efficient and limits to only the morphological cell changes. This project proposes to exploit the structural similarities between terahertz metamaterials and the aforementioned microfluidc devices, and to combine the advantages of both. The proposed device can not only separate and capture cancer cells, but also resonate to terahertz waves. Thus, the number of cells detected can be directly shown in the spectral changes of the terahertz metamaterial device. The same device and spectral measurement can also be used for real-time observation of cancer cell’s drug reactions as well as the role that nanostructures play in aiding drug treatment. This project will offer new design ideas and data support to cancer research.

癌症防治工作与全人类的生存息息相关。及时检测到进入血液循环中的循环肿瘤细胞，分析其数量和特征，是癌症早期治疗的重要手段。目前，已有研究设计出微流体器件，能从血液中捕获循环肿瘤细胞，但后期分析与检测却需利用其他平台分步进行；另有能卡住单个细胞的微流体器件，在细胞分析方面具有较大潜能，但分析结果依赖于人工观测，时间效率较低，且局限于细胞的形态变化。本项目拟利用太赫兹超材料与上述微流体器件在结构上的相似之处，结合二者优势，设计出新型太赫兹超材料微流器件，使之同时兼具分离、捕获癌细胞的功能和在太赫兹波段发生谐振的性质。凭此，可将检测到的癌细胞数量直观体现在太赫兹超材料的光谱特性变化上，并可通过同一器件和光谱测量方法即时观测癌细胞的药物反应、考察纳米结构对药物治疗的辅助作用。本项目将为太赫兹超材料器件用于癌细胞研究提供新的设计思路和数据支持。

对血液中循环肿瘤细胞（CTC）的检测和分析，是癌症早期治疗的重要手段。太赫兹光谱分析具有快速、准确、非侵入性的特点。根据癌细胞和血液细胞的尺寸差异，本项目设计了一种可以从血液中提取CTC的太赫兹超材料器件，通过微流体力学的模拟研究，证实了器件的可行性。项目中还提出了多种器件结构设计，分别研究了这些结构的检测灵敏度。该器件可以实现在每个卡位仅捕获一个癌细胞，有助于后期的细胞分析工作。通过模拟计算得出，当每个卡位都捕获一个癌细胞时，超材料的谐振频率在捕获前与捕获后相比，最大可发生38GHz的频移，验证了器件具有优越的检测性能。本项目还开发了这种器件的制备方法，实际制备了器件原型。在利用微米球代替癌细胞进行先驱实验时，本项目利用制得的器件，发现了接触式定点捕获微米球的两种方法。这两种方法不需要昂贵的设备和技术精湛的操作人员，也不对微米球和器件造成伤害，仅通过拇指的简单移动，就可以实现高效、便捷、大面积地控制微米球的移动，使之在器件表面预设的“卡位”中被捕获，继而被太赫兹光谱以高灵敏度检测出来。实验结果显示，该器件可以实现将微米球分开到每个卡位单个捕获，最大捕获率为71%，由此带来的超材料谐振频率的频移为71GHz。