基于微流控技术的单细胞捕获及其粘弹性力学性能研究

The morphology, differentiation, aging, lesion etc. of the cell are closely related to the cell’s viscoelastic mechanical properties, so the study of cell’s viscoelastic properties is very significant for understanding the cells themselves, the cell’s pathological process and improving their functions. The common experiments would have effect on the cell and the measurement results, which is the bottleneck problem to solve for the study of cell’s viscoelastic mechanical properties. One effective way to solve the bottleneck problem is to study the mechanical properties of cells in the flow field with microfluidics. This project will use the cross type microfluidic device with a shallow groove at the cross center to capture the cell stably at the stagnation point flow region, then observe the deformation results of the cell while controlling the flow field. Then simplify the physical problems of cell deformation, and simulate the elastic and viscous properties of cells with the spring and damping elements respectively, meanwhile, combine with the force the Stokes flow acts on the cell and set up theoretical model of the single cell dynamics. Finally, the equivalent mechanical parameters can be got by fitting the experimental results with the model. This method will be verified compared with the existing results. In this project, we will develop a method to measure the mechanical properties of the cell based on microfluidics, then to provide guidance for people to recognize cells and improve cells’ functions.

细胞的形态结构、分化、衰老、病变等与其粘弹性力学性能密切相关，研究单细胞的粘弹性力学性能，对认识细胞，理解细胞病变过程和改善其功能有重要意义。常用的实验方法会对细胞产生干扰而使得测量结果受影响，是单细胞粘弹性力学性能研究尚待解决的瓶颈问题。应用微流控技术在流场中研究细胞力学性能是解决上述瓶颈问题的有效途径。本申请项目将设计具有凹槽的十字交叉型微流控器件，把细胞稳定捕获在中心驻点流区域，通过调控流场观测细胞的变形结果。然后对细胞变形物理问题进行简化，利用弹簧和阻尼元件分别模拟细胞的弹性和粘性力学性能，并结合细胞Stokes绕流的受力结果，建立单细胞动力学理论模型。最后用理论模型拟合实验结果，得到单细胞粘弹性等效力学性能参数，并与已有的研究结果对比，验证该方法的正确性。本项目将发展一种基于微流控技术的单细胞力学性能测量方法，为人们认识细胞并改善其功能提供指导。

利用液滴模拟细胞，研究单细胞粘弹性力学性能研究，能够对细胞增加认识、理解细胞病变过程等。另外在癌症治疗方面，循环肿瘤细胞（circulating tumor cells, CTC）的过滤分离对癌症患者的检测和治疗具有重要意义。作为前面两者的基础，微器件中液体、微液滴的控制对微流控技术在芯片和即时检测设备上应用、对新型颗粒或材料的合成、制造科学等具有重要意义。基于此，本项目主要研究内容包括：（1）利用液滴模拟细胞，采用数值模拟方法对液滴在微流控芯片流场中的变形能力做了研究，并通过微流控实验生成液滴并观测了单个和多个液滴在芯片驻点流区域的滞留现象。该研究对我们通过微流控方法研究液滴、细胞的力学性能提供了有力的支撑，切为通过液滴模型探究细胞力学特性提供了实验基础。（2）在具有多孔过滤膜的微流控器件中白细胞和循环肿瘤细胞的捕获分离方面做了理论和实验研究工作。该研究可以用于指导微流控弹性过滤（microfluidic-elasto-filtration, MEF）器件和其他微过滤装置的优化设计，在生物、医学方面具有重要应用价值。（3）在微通道中液滴动力学行为方面，做了液滴组装的动力学和能量耗散研究，同时在微流控器件流动控制方面做了毛细流动控制的理论分析和实验研究。这些研究对基于细胞的微流控检测技术和芯片实验室有重要的理论和实用意义。（4）项目期间申请的两项专利为一种测试多孔材料孔隙率的简易方法和一种通过滴落实验测量液体粘度的方法，两项专利在实审中，分别为具有微通道、孔隙的材料的孔隙率测量和简单、低成本的液体粘度测量方面有重要意义。