基于微流控压电芯片的动态单细胞生物力学技术

本课题以研究建立简便灵活、高通量的动态单细胞生物力学技术为目标，提出基于压电谐振同时实现细胞外基质的力学动态调节与细胞力学传感、并将其与微流控相结合的新策略，在理论和实验上，研究基于微流控实现单细胞操纵与流体的力学和化学动态调节，研究基于压电谐振和表面修饰实现表面的力学和化学动态调节以及细胞力学传感，在此基础上，构建微流控与压电微谐振器芯片集成的动态单细胞生物力学平台，并初步应用于细胞粘附及其力学和化学调节研究。本课题在细胞环境动态调节与细胞力学检测方面的创新，将突破现有细胞生物力学技术的局限，特别是不存在力学动态调节盲区-胞外基质、不引入非力学干扰，可望在细胞和分子层面上、在时间和空间上揭示新的生物力学机制；微流控压电芯片融汇两者独到之处，并可阵列化进一步提高分析通量，将为生物力学及其在组织工程、药物筛选、临床医学等广泛领域的应用提供新思路和新方法，具有十分重要的科学意义和应用价值。

本课题构建了基于微流控压电芯片的新型单细胞生物力学分析平台，在此基础上实现了细胞环境的动态调节及细胞生物力学的传感检测，在细胞和分子层面上揭示了细胞粘附力-化学耦合的动态机制。首先，设计与研制出微流控压电芯片，构建了基于微流控压电芯片的单细胞生物力学分析系统。其中，重点解决了激励电压调节与压电谐振电耦合干扰的关键难题，创新性构建了振幅可调压电谐振传感技术(QCM-AmA)，实现了压电谐振传感器的同步调控与检测。其次，开展了细胞环境动态调节及细胞生物力学传感的模型与方法研究，包括基于微流控的细胞流体环境动态调节、基于压电谐振的细胞外基质动态力学调节、以及细胞力学的压电谐振传感。其中，我们发现较大表面剪切力对蛋白质相互作用以及细胞粘附均有抑制作用，甚至使细胞难以粘附；另外，建立了细胞粘附压电传感的耦合谐振模型，获得了压电谐振信号（包括谐振频率和能量耗散因子）与表面细胞粘附键刚柔性的理论关系。最后，开展了关于细胞粘附的力-化学耦合研究，包括细胞粘附分子互作网络的构建与分析、趋化因子调控癌细胞粘附的动力学分析、以及细菌粘附的动力学分析。其中，我们鉴于生命科学前沿研究的新进展，利用压电传感，首次揭示了趋化因子对癌细胞初始粘附的激活和促进作用；另外针对具有重要学术和应用价值的细菌生物膜研究，初步考察了细菌粘附的动力学特性，发现表面亲/疏水性对该细菌粘附无显著影响，而正电荷表面对细菌粘附有一定抑制作用。简言之，本课题在细胞环境动态调节与细胞生物力学检测技术上的创新成果，突破了现有局限，揭示了新的细胞生物力学机制，为细胞生物力学及其在组织工程、药物开发、临床医学等广泛领域的应用提供新思路和新方法。本课题研究成果具有十分重要的科学意义和应用价值。