基于纳米通孔阵列光流体的多参数细胞粘附免标记检测方法的研究

Single cell adhesion has fundamental significance in basic research of life sciences. Combining the advantages of optics and microfluidics, optofluidics shows great potentials as biosensors and lab-on-chip devices. This project aims to investigate the design and fabrication of an integrated optofluidic system for single cell adhesion assay, using optical nanostructures and microfluidic channels. The otofluidic system has two core components: 1) free-standing metallic sub-wavelength nanopore arrays which induce extraordinary optical transmission (EOT) for biosensing; 2) microfluidic channels which provide amenable cell manipulation capabilities including cell patterned immobilization, on-chip cell culture, and applying external stimulations. By investigating the effects of the nanopores' properties (geometry, dimensions, surface modification, and substrate materials etc) on EOT, the nanopore arrays are designed and fabricated with optimized parameters to achieve high sensitivity suitable for cell adhesion analysis. By incorporating the microfluidic channels with the 3-D nanopore arrays, the optofluidic single cell adhesion assay system gains, for the first time, three functional modules in one device. These include label-free optical measurement of biochemical binding events, 3-D substrate for mimicking the cell membrane's native habitant, and external stimulations for studying cell adherent response. This appealing label-free single cell analysis system is expected to generate a significant impact on many biochemical sensing applications.

细胞粘附在控制癌细胞侵染、迁移，神经细胞损伤修复，血管细胞损伤修复，体内炎症反应等方面，有着重要的指标意义。现有检测细胞粘附的免标记方法，因无需对细胞进行荧光标记而获得青睐，但是存在着对细胞施加刺激的手段单一、细胞基底表面拓扑结构太简单、灵敏度和信噪比较低等问题。针对这些问题，本项目研究一种基于纳米通孔阵列光流体的新型方法。该方法结合纳米光学和微流控技术，采用纳米技术设计加工形成具有周期性拓扑结构的亚光波长尺度的纳米通孔阵列芯片，并把具有细胞操作能力的微流控芯片集成于该纳米芯片，提供多项可灵活选择的化学和机械刺激手段，实现细胞粘附在多参数影响因子环境下的实时在线免标记检测，大幅度提高细胞粘附检测的灵敏度和精度。本项目的成功，有望对药物筛选、疾病机理研究、癌症细胞迁移、血管和神经细胞修复等基础研究产生推动作用。

细胞黏附在控制癌细胞侵染、迁移，神经细胞损伤修复，血管细胞损伤修复，体内炎症反应等方面，有着重要的指标意义。现有检测细胞黏附的免标记方法存在急需解决的问题，包括细胞施加刺激的手段单一、细胞基底表面拓扑结构太简单、检测灵敏度和信噪比较低等。为解决这些问题，本项目研究基于金膜纳米阵列光流体的新型方法，该方法结合纳米光学和微流控技术，采用纳米加工工艺形成具有周期性圆孔拓扑结构的亚波长尺度的纳米阵列芯片，并把具有单细胞操作能力的微流控芯片与该纳米芯片集成，提供多项可灵活选择的化学和机械刺激手段，实现细胞黏附在多参数影响因子环境下的实时在线免标记检测。项目开展了纳米通孔阵列在微流道中的尺寸效应基础研究，为无损捕获和固定细胞提供优化的实验参数，实现了万级单细胞的高效无损捕获。开展了纳米通孔阵列超透射基础研究，为提高检测方法的灵敏度和信噪比提供依据，提出了比现有检测性能提高50%以上的传感检测结构和方法。开展了光机电单细胞黏附分析集成芯片研究，制备了纳米芯片和微流控芯片，并进行系统集成和性能测试，获得可以准确解析细胞黏附的检测方法，发现HeLa细胞和C3H10细胞的实时动态黏附过程符合Logistic阻滞增长模型，且具有不同的黏附特性。开展了孔阵结构在细胞黏附以外的生物操作和检测中的扩展应用研究，展示了此带电极的微纳结构的更多能力，包括介电泳旋转、富集、过滤细胞和操作线虫等。本项目的研究结果有望对药物筛选、疾病机理研究、癌症细胞迁移、血管和神经细胞修复等基础研究产生推动作用。