用于微流体环境中超声波基因递送的MEMS器件研究

将基因从外源导入细胞是生物工程的基本技术。超声波基因递送因其空化效应机理，有超越其他基因转移技术的优点，被认作DNA质粒或片段细胞递送的理想手段。但现有实例都是用传统超声波设备在宏观容积下进行，导致后续分析只能得到大量细胞的平均结果，不易解读也不能满足精密分析的需求。本项研究把超声空化引入微流体，提出用一种MEMS超声波器件与微流体管道集成的系统，使超声波基因递送在微流体规模进行，从而满足精密分析和单细胞分析的需要。将着重研究超声波空化在微流体中实现并用于基因递送的关键问题包括微流体环境下的局域空化的形成机理和方法、空化效应的因素及控制、微流体条件下的气泡动力学、与微流体能量匹配的超声波发生器、微管道里超声波的聚焦及对细胞的无伤害控制、微流体条件下的气泡动力学、微流体细胞输送与超声波照射的协调操作等。进而研制原理样机。本项目为将来研制超声波基因递送和单细胞分析集成的芯片微全分析系统奠定基础

将基因导入细胞是生物工程的基本技术。超声波基因递送因其空化效应机理，有超越其他基因转移技术的优点，被认作DNA 质粒或片段细胞递送的理想手段。但现有实例都是用传统超声波设备在宏观容积下进行，导致后续分析只能得到大量细胞的平均结果，不易解读也不能满足精密分析的需求。本项研究把超声空化引入微流体，提出用一种MEMS 超声波器件与微流体管道集成的系统，使超声波细胞导入在微流体规模进行，从而满足精密分析和单细胞分析的需要。着重研究超声波空化在微流体中实现并用于细胞导入的关键问题，为将来研制超声波基因递送和单细胞分析集成的芯片奠定基础。这种芯片有望应用于癌症早期诊断和癌症治疗效果检测。..本项目取得如下主要成果：.1基于气泡动力学理论，用数值仿真方法分析了微流体环境下的局域空化的关键影响因素；.2基于势流理论，建立了微管道中的超声等源激励空化模型，并数值模拟了超声空化的气泡瞬态过程，结果与国外刊物上的高速摄影照片一致。.3利用压电－声－液耦合有限元仿真证明了本项目的可行性，并优化了设计；.4研制出与微流体能量匹配、具有自聚焦功能的MEMS超声波换能器，并得到如下MEMS工艺研究成果：.i）研发了精密钢球软压印工艺，解决了跨尺度曲面微结构的制作难题，制出具有微米级特征、总体尺寸超大、表面光滑的碗形微结构；.ii）用正交实验法，得到磁控溅射制备ZnO压电薄膜工艺的最佳工艺参数组合，制备1.97μm的ZnO薄膜的晶粒大小为22nm，压电系数为228.79 pm/mv，达到国外文献报道的水平。.iii）在柔性基底上制作出4微米厚的碗形压电薄膜（包括上下电极），成功制出MEMS自聚焦压电薄膜超声波换能器阵列，其谐振频率为5MHz，且Q值较高。该成果为自主创新，文献调研未发现类似成果，已申请发明专利。.5MEMS聚焦超声波换能器阵列与微管道集成，制成细胞导入微流体系统原理样机； .6用三种声化学方法碘释放法，荧光法，电导率法等对聚焦超声换能器产生的空化效应进行了检测，检测结果基本一致；.7提出了一种基于单光子探测技术的光电非接触式探测方法，研发了专门的测量设备和软件，可对局域超声空化进行在线检测。.8用1-3 MHz超声波实现了细胞的声穿孔，并研发了检测细胞穿孔率和存活率的方法.9实现了在微流体规模进行超声波细胞导入的课题目标，实验结果证实该系统具有一定的声穿孔成功率和细胞存活率。