Small：聲表面波驅動的微液滴中細胞微粒碰撞致細胞裂解的壓電微芯片

【背景介紹】

細胞裂解是獲取細胞內蛋白，細胞器以及遺傳物質等物質的關鍵步驟。通常，細胞裂解可通過物理方法，化學方法以及生物方法來實現，例如超聲裂解，酸堿裂解和酶裂解等。這些方法通常需要大量的細胞樣品或較長的裂解處理時間，這對其應用產生了限制。近年來基于微流控的細胞裂解方法發展迅速，為微量細胞樣品快速高效裂解提供了平臺。雖然在微升液滴尺度上進行實驗可以顯著地降低樣本的消耗以及裂解所需要的時間，但是這些方法通常也需要外電場或者裂解酶等特定結構或試劑來輔助裂解，其集成性和應用性依然受限。因此生物檢測領域對于具有普適性的微量細胞快速裂解的方法依然有迫切需求。

近年來，基于聲表面波的微流控技術在細胞分選以及生化傳感方面大放異彩。聲表面波是一種由射頻信號在壓電基片上激發的彈性波，其波長處于微米量級，是一種理想的在微納米尺度進行細胞操控和處理的工具。目前，基于聲表面波的微量細胞裂解方法主要是通過聲場中的剪切力裂解以及聲壓裂解來實現，可以在高功率下實現有效的細胞裂解。然而，為獲得剪切力需要構建的聲子晶體結構制備復雜，而聲壓破碎又有相當大的功耗以及不穩定性，導致其在進一步集成應用上具有較大限制。因此，如果能夠通過引入納米或者微米量級的顆粒，使其與尺寸相近的細胞進行相互作用，由此產生的相互作用力就有望使細胞在較低的功率下實現裂解，實現低成本的細胞裂解，將會具有非常大的實用意義。

【成果簡介】

近日，中央民族大學耿照新教授、中科院半導體所陳弘達研究員和山東大學劉宏教授聯合設計了一種聲表面波細胞裂解器件，可以實現多種細胞在微量液滴中的高效裂解，并對裂解原理和機制進行了詳細的闡釋介紹。該器件僅由壓電基片鈮酸鋰（LiNbO3）襯底及其上的一對平行叉指電極（IDTs）和一端的雙層3M膠帶組成，其中叉指電極周期為120 mm，為了減少雜波生成，在叉指電極上設計了80個聲波周期。進行裂解時，僅需在膠帶前滴加5-20 mL包含有微粒和細胞的混合液滴，隨后通過可調節的信號源在基片上產生行波聲表面波，在基片上傳播的聲表面波將會耦合到含有微米顆粒和細胞的液滴中，產生聲流場，帶動聲流場中的微粒和細胞運動。由于微粒和細胞具有不同的物理性質，在曳力作用下產生不同的加速度，因而在聲流場中反復經歷加速、碰撞和再加速的過程，在細胞-微粒界面處由于碰撞時巨大的動量交換產生強大的相互作用力使得細胞膜功能喪失，實現細胞裂解。經過對試驗條件的優化和多種細胞裂解的嘗試，找到了最優的裂解條件，實現了100%的細胞裂解。通過細胞膜胞內蛋白以及細胞核的三種熒光的裂解前后熒光對比證明了細胞裂解后胞內蛋白得到有效釋放，可用于后續生化傳感過程。針對不同種類微粒的裂解實驗，通過掃描電鏡圖片捕捉并且通過模型還原了碰撞界面以及碰撞過程，通過流體動力學計算估算了不同細胞和微粒在聲流場中的受力分析及加速度參數。通過與其他微量細胞裂解方法比較，說明了該方法在微量細胞裂解中具有巨大新意以及應用價值。研究成果以題?“Piezoelectric Microchip for Cell Lysis through Cell-Microparticle Collision within a Micro Droplet Driven by Surface Acoustic Wave Oscillation”作為封底（Back Cover）發表在Small上。該成果在學術流中得到眾多學者認可，并有多位學者要求進行合作，開展其在“干細胞、神經元細胞”、“外泌體、微泡”、“蛋白、MircoRNA”等方面的研究。

本文第一作者是山東大學博士生王世才，在耿照新教授負責的“新材料與新器件”小組開展具體工作，劉宏教授也參與全程指導。本項工作受到國家重點研發計劃“聲表面波材料與器件”以及“微納生化傳感材料與器件”的支持。

【圖文導讀】

圖一、器件制備和表征

（a）器件制備示意圖。

（b）電極設計示意圖。

（c）電極光刻顯微鏡圖像。

（d）電極光刻顯微鏡圖像。

（e）壓電力顯微鏡（PFM）圖片。

（f）PFM下的振幅高度。

（g）PFM下的相位圖。

（h）器件實物圖。

（i）器件示意圖。

圖二、裂解原理

（a）裂解前液滴中微粒與細胞分布。

（b）活細胞受力分析。

（c）聲場中細胞與微粒受力與運動側視圖。

（d）死細胞受力分析。

（e）聲場中細胞與微粒受力與運動主視圖。

（f）裂解后細胞與微粒在液滴中的分布。

圖三、裂解影響因素的探索

（a）在直徑為4 mm的磁珠存在與否的情況下的細胞裂解效率。

（b）不同裂解功率下細胞的裂解效率。

（c）不同裂解時間下的細胞裂解效率。

（d）不同液滴體積下的細胞裂解效率。

（e）相同條件下，MDA-MB-231，MCF-7和hADSCs的裂解效率。

（f）直徑為0.5, 2, 5, 7, 15 mm的PS球和磁珠的顆粒的細胞裂解效率。

圖四、細胞裂解前后的熒光染色圖片。

（a）細胞裂解前的明場圖片。

（b）細胞裂解前的Dio細胞膜染色圖片。

（c）細胞裂解前的RFP胞內蛋白分布圖片。

（d）細胞裂解前的Hoechst細胞核染色圖片。

（e）細胞裂解前的疊加圖片。

（f）細胞裂解后的明場圖片。

（g）細胞裂解后的Dio細胞膜染色圖片。

（h）細胞裂解后的RFP胞內蛋白分布圖片。

（i）細胞裂解后的Hoechst細胞核染色圖片。

（j）細胞裂解后的疊加圖片。

圖五、不同種類和尺寸下裂解細胞的掃描電鏡圖像及其對應的模型分析

（a）100 nm Au顆粒作用下的細胞裂解效率。

（b）4 mm?磁珠作用下的細胞裂解效率。

（c）5 mm聚苯乙烯微流（PS）作用下的細胞裂解效率。

（d）15 mm?PS作用下的細胞裂解效率。

（e）100 nm Au顆粒作用下的細胞掃描電鏡圖片。

（f）4 mm?磁珠作用下的細胞掃描電鏡圖片。

（g）5 mm?PS作用下的細胞掃描電鏡圖片。

（h）15 mm?PS作用下的細胞掃描電鏡圖片。

（i）100 nm Au顆粒作用下的細胞裂解碰撞模型。

（j）4 mm?磁珠作用下的細胞裂解碰撞模型。

（k）5 mm?PS作用下的細胞裂解碰撞模型。

（l）15 mm?PS作用下的細胞裂解碰撞模型。

表一、微粒參數和流體力學分析

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表二、與其他微量細胞裂解方法的效率對比

【小結】

總的來說，研究人員通過向含有細胞的液滴中引入微米顆粒，利用聲場對細胞和微粒的不同加速作用實現了細胞和微粒的碰撞，實現細胞的高效裂解。熒光實驗證明經過裂解，胞內蛋白得到有效釋放，為胞內物質檢測提供良好的基礎。因此，作為一種新型微量細胞裂解方法，該器件在癌癥檢測，細胞組分分析，干細胞研究等方面具有關鍵性的意義。

文獻鏈接:?https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201804593

通訊作者及團隊介紹：

耿照新，博士，中央民族大學信息工程學院教授，中國科學院半導體研究所光電子與微系統集成及生物醫學應用研究組中“新材料與新器件”小組負責人。中央民族大學高層次人才（優秀人才），國家民族事務委員會中青年英才。自2004年至今，主要從事微納米加工技術、微流控樣品前處理技術、SPR傳感器、SERS傳感器、LSPR (局域表面等離子體共振)傳感器、集成微流控超材料傳感器、二維材料傳感器、THz光譜傳感技術相關研究工作。現在主持或負責多項國家重點研發計劃課題或子課題，以及國家自然基金面上項目和北京市重點項目子課題，發表學術論文80余篇，開發出多套傳感檢測系統，研究成果已經在相關產業得到應用，或部分在產業轉化的路上。目前主要開展集成微流控納米光子學LSPR傳感技術在癌癥標記物多參數、多樣本早期檢測研究、二維材料在THz波段的調制及傳感應用研究、SAW微流控器件研究和低成本微納米制造技術研究。

陳弘達，博士，中國科學院半導體研究所研究員，中國科學院大學教授，博士生導師。國家新材料產業發展專家咨詢委員會成員，國家科技重大工程“重點新材料研發及應用”實施方案編寫專家組成員，“十三五”國家重點研發計劃“戰略性先進電子材料”實施方案編寫專家組和總體專家組組長，中國光學學會光電技術專業委員會副主任，北京電子學會半導體專業委員會副主任，中國材料研究學會常務理事，《半導體科學與技術叢書》副主編。長期從事光電子與微電子學方面的科研和教學工作，目前研究方向為納米光電器件、光電子與微電子集成。研制了CMOS硅光發射器件及陣列，硅基納米材料光調制器與探測器，二維材料倍頻器、光電混頻器、雙光混頻器等新型納米光電器件。研制的納米材料光電混頻器實現了光信號和電信號直接混頻，研制的納米材料光電探測器在光電信號探測的同時實現了不相干光信號直接混頻。開展了與標準CMOS工藝兼容的硅基發光器件及其光電子集成電路研究，實現了CMOS光電集成回路。編著兩本專著《微電子與光電子集成技術》、《甚短距離光傳輸技術》，參與編著《半導體科學與技術》、《Telehealthcare Computing and Engineering: Principles and Design》。在國內外重要期刊及國際學術會議發表論文100余篇，申請發明專利30余項。

劉宏，濟南大學前沿交叉科學研究院、山東大學晶體材料國家重點實驗室教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者。中國硅酸鹽學會晶體生長分會理事，中國光學學會材料專業委員會會員理事，中國材料研究學會納米材料與器件分會理事。主要研究方向：納米能源材料、生物傳感材料與器件，組織工程與干細胞分化，等。十年來，主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五國家重點研發項目和自然基金重大項目、自然基金重點項目在內的十余項國家級科研項目，取得了重要進展。2004至今，在包括Adv. Mater., Nano Letters，ACS Nano，J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater，Envir. Eng. Sci., 等學術期刊上發表SCI文章200余篇，其中，影響因子大于10的近40篇，個人文章總被引次數超過14700次，H因子為58，20余篇文章被Web of Science的ESI（Essential Science Indicators）選為 “過去十年高被引用論文”（Highly Cited Papers (last 10 years)，)，文章入選2013年中國百篇最具影響國際學術論文，2015年度進入英國皇家化學會期刊“Top 1% 高被引中國作者”榜單。2018年被科睿唯安評選為“全球高被引科學家”。應邀在化學頂尖期刊Chemical Society Review和材料頂尖期刊Advanced Materials和 Advanced Energy Materials上發表綜述性學術論文，在國際上產生重要影響。授權專利30余項，研究成果已經在相關產業得到應用。

本文由山東大學劉宏教授的博士生王世才供稿，材料人編輯部Alisa編輯。

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