肿瘤细胞微尺度电阻抗成像检测与免标记高速分离方法研究

Microfluidics has been applied to tumor cell sensing and separation extensively due to the advantages of high speed analysis, high automation, micro-scale and easy assembly. This project applies a multilayered microchannel to separate tumor cells in high speed based on micro electrical impedance tomography (μEIT) technique. In the cell sensing by μEIT, the electrical equivalent circuit model of the objects including the electrical double layer at the cell/fluid interface is established based on electrochemical impedance spectroscopy. Then the electrical element of the cells is extracted to reconstruct the image by μEIT technique. The accuracy will be improved greatly by the electrical equivalent circuit model of the electrical double layer. Furthermore, in order to clarify the cell motion mechanism under the complex electric field generated by multi electrodes, a electro-fluid-solid coupling is used and Euler-lagrange model is established to calculate the cell motion in two-phase flow. In the cell separation by dielectrophoresis, the combination of the electrode pair are adjusted to generate proper electric field to drive cells according to the sensing results by μEIT. Since the cells are driven by a determined electrode pair based on the position of cells in a meshed position, the cells will be separated in a high efficiency. This research provides a potential technique to separate cancer cells with a microfluidic device in biomedical applications.

微流控技术凭借其分析速度快、自动化程度高、微型化、易于集成等优势，在肿瘤细胞的早期检测与分离中得到了广泛的应用。本课题使用已开发的多电极阵列微流路芯片，通过集成微尺度电阻抗成像技术，利用介电泳方法实现肿瘤细胞的高速分离。在微尺度电阻抗成像检测方面，利用电化学阻抗谱分析方法，建立检测对象的等效电路，提取肿瘤细胞的电阻抗参数，重构微流路内部的细胞分布图像，提高微尺度电阻抗成像的检测精度。另外，在细胞/溶液组成的液固两相流环境下，建立欧拉-拉格朗日数值分析模型，通过电液固耦合，分析多电极复杂电场下细胞的运动机理，为介电泳分离提供理论依据。在介电泳分离方面，根据检测与仿真结果，锁定肿瘤细胞的分布位置，建立反馈模型，通过实时调整多电极的组合方式，实现肿瘤细胞的精准操作。本课题为微流控芯片在癌症的早期发现与治疗方面提供理论与实践基础，具有广阔的应用前景。

微流控技术凭借其分析速度快、自动化程度高、微型化、易于集成等优势，在肿瘤细胞的早期检测与分离中得到了广泛的应用。本课题使用已开发的多电极阵列微流路芯片，通过集成微尺度电阻抗成像技术，利用介电泳方法实现肿瘤细胞的高速分离。课题已圆满完成了项目任务书中规定的研究内容。可以从以下五个方面概述。第一，进行了细胞电学特性的机理研究，提出了细胞等效电路模型，为细胞数值仿真、分离提供了参数选择的依据；第二，采用生物阻抗谱方法对细胞的大小、浓度、类别进行了检测，并开发了包括遗传算法在内的生物阻抗谱数据处理方法，实现了肿瘤细胞与正常细胞的识别，识别率90%以上；第三，对微尺度电阻抗成像算法进行了研究，优化了细胞电阻抗成像的算法，相比于Tikhonov方法和RBFNN方法，所提出的方法具有更好的图像重建结果，即更低的RMSE（RMSE=0.11），更高的ICC（ICC=0.87）和更好的伪影去除能力。第四，采用微流控芯片对细胞的电阻抗成像进行了实验研究，实现了细胞群的电阻抗成像；第五，采用介电泳方法，基于检测结果，实现了细胞的介电泳分离，分离率不低于93.5%.. 本课题为微流控芯片在癌症的早期发现与治疗方面提供理论与实践基础，具有广阔的应用前景。