集成流式电穿孔芯片基础研究

利用微流控技术实现高通量细胞电穿孔，满足生物学研究、药物筛选、基因治疗等领域的迫切需求，具有重要理论意义和应用价值。目前的流式电穿孔芯片普遍存在穿孔效率低、适用范围小、不能稳定工作等缺陷，远不能满足实际应用的要求。本项目创新地提出了包含细胞电穿孔模块，细胞监测模块和分选模块的集成化微流体细胞电穿孔芯片, 将大大减少细胞电穿孔后的后续生物操作环节，降低所产生的相应污染和伤害;利用微流体的层流特性来缓解困扰已久的高电场下电解水带来的有害效应，有望在细胞穿孔率、细胞存活率、细胞处理速度方面实现质的提高；提出新颖的不等高流道设计来解决高电场造成的热效应和气泡堵塞微流道的问题，有望实现长时间可靠工作的集成化芯片。同时，我们将利用研究出的芯片，研究细胞在微流体和电场双重作用下的行为，结合流体力学和细胞生物学理论，摸索出合理的流式细胞电穿孔模型，为实现高效率流式电穿孔仪奠定理论和技术基础。

本项目的研究目的是利用微流控技术实现流式细胞电穿孔芯片，从而高效率、高通量地转染大量细胞以满足生物医学领域的迫切需求。项目组围绕这个核心目标，按照预定研究计划，从机理探讨、器件研制、应用研究三个层面进行了深入研究，包括：研究了细胞在微尺度下的电穿孔行为及机理；研究了微尺度下各种有害效应对细胞电穿孔过程的影响；尝试了避免或减轻有害效应的多种方法；研究了微流控细胞分选技术和细胞电穿孔技术集成化的芯片设计及加工方法；探索了流式细胞电穿孔芯片在实际应用中的前景。在本项目的资助下，本项目取得了一系列原创性成果：项目组首先发现了发现影响微尺度下细胞电穿孔效率的关键因素是电解水带来的各种有害效应会在微尺度下迅速积累，从而显著影响细胞转染效率和细胞存活率；此后项目组围绕这个关键问题，研究了多种解决方案并一一进行实验分析；最终确定了最优的解决方案、芯片设计及工作参数，在近二十种细胞上实现了世界领先的细胞转染效率和细胞存活率，并以红血球靶向载药为模型，探索了流式细胞电穿孔芯片在生物医学领域的实际应用前景。本项目资助培养了博士研究生2名，硕士研究生4名；资助发表了论文23篇，包含SCI论文10篇（影响因子>5的7篇），申请了发明专利4项。