基于可调谐压电冲击挤压的微流控细胞转染方法研究

Intracellular delivery is the process of transfection of genes, proteins and other substances into target cells and it is an indispensable technical means of gene editing and cell therapy. In recent years, microfluidic mechanical extrusion has been widely studied due to its advantages of no carrier, high throughput, low cost and high compatibility. However, this method still has the disadvantages of low efficiency for macromolecular transfection and specific microchannel is only suitable for a single cell type, which restricts the development of this technology. This project intends to combine the microfluidic mechanical extrusion cell transfection technology with microfluidic piezoelectric impact printing technology, and propose a new method of piezoelectric impact extrusion microfluidic cell transfection based on tunable. In this method, the width of microchannel can be tuned by impact extrusion of the side wall of microchannel, and the cell membrane can be deformed by impact extrusion. The main research contents of this project are as follows :(1) dynamic mechanical behavior of membrane tensile strain under the synergetic effect of impact extrusion;(2) establishment of a cell transfection microfluidic control system based on piezoelectric impact extrusion;(3) transfection mechanism of exogenous substances into cells and regulation of cell membrane damage repair. The new cell transfection method proposed in this project is innovative in theory and technology, has important academic value and good industrial prospect.

细胞转染是将诸如基因、蛋白等物质转染到目标细胞体内的过程，也是基因编辑、细胞治疗等不可或缺的技术手段。近年来基于微流控机械挤压方法由于其具有无需载体、高通量、成本低、高兼容性的优点而被广泛研究。然而该方法仍然存在对大分子转染效率低和特定微流道只适用于单一细胞类型的缺点，这都制约着该技术的发展。本项目拟将微流控机械挤压细胞转染技术与微流控压电冲击打印技术相结合，提出基于可调谐的压电冲击挤压微流控细胞转染新方法。该方法通过冲击挤压微流道侧壁，实现微流道宽度可调谐，并给细胞施加冲击挤压载荷，使得细胞膜上产生变形。本项目主要的研究内容有：（1）冲击挤压协同作用下的细胞膜拉伸应变的动态力学行为；（2）基于压电冲击挤压的细胞转染微流控系统的建立；（3）外源物质进入细胞体内的转染机制和细胞膜损伤修复调控。本项目提出的新型的细胞转染方法在理论和技术均有新意，具有较重要的学术价值和良好的产业化前景。

细胞转染是将诸如基因、蛋白等物质转染到目标细胞体内的过程，其是基因编辑、细胞治疗等不可或缺的技术手段。近年来基于微流控机械挤压方法由于其具有无需载体、高通量、成本低、高兼容性的优点而被广泛研究。然而该方法仍然存在对大分子转染效率低和特定微流道只适用于单一细胞类型的缺点，这都制约着该技术的发展。本项目将微流控机械挤压细胞转染技术与微流控压电冲击打印技术相结合，提出基于可调谐的压电冲击挤压微流控细胞转染新方法，实现了高效的外源物质递送。该方法通过冲击挤压微流道侧壁，实现微流道宽度可调谐，并给细胞施加冲击挤压载荷，使得细胞膜上产生变形。本项目主要的研究内容有：（1）研究了冲击挤压协同作用下的细胞膜拉伸应变的动态力学行为，研究表明微流道截面形状、微流道特征尺寸宽度和微流道受限空间长度都影响着细胞膜拉伸应变，截面圆度越大、宽度越小、长度越大，细胞拉伸应变越大，在圆形截面下细胞拉伸应变可以超过35%，最大压降达到105Pa；（2）建立了一套压电冲击挤压的细胞转染微流控系统；其中采用OP07和PA91建立了一套压电功率放大器，在160V电压下可以实现压电悬臂梁最大位移152.5μm。利用软光刻工艺完成了微流控芯片的制造，最小微流道尺寸为4μm，深宽比达到5:1。（3）本课题建立了外源物质进入细胞体内的转染机制模型，该模型可以预测不同微通道受限空间形状的机械挤压转染效率。最后本项目对不同参数下外源物质（PI染料）进入细胞体内的转染效率进行探讨，研究表明压电驱动电压、微流道宽度可以显著提高细胞转染效率，最高可以达到75%。本项目提出的新型的细胞转染方法在理论和技术上具有较重要的学术价值和良好的产业化前景。