介电泳辅助微流控芯片实现单细胞高精度周期性捕获与释放新策略

本研究针对单细胞精准操纵的技术瓶颈，开发了一种基于流场-电场耦合的介电泳（DEP）辅助微流控装置。通过理论建模与有限元分析优化电场/流场参数，实现了单细胞聚焦及固定频率捕获/释放（效率>98%），为单细胞分析、疾病机制研究和精准医疗提供了强大工具。

在生命科学和医学研究领域，单细胞分析技术正成为解析细胞异质性的关键手段。与传统群体细胞分析相比，单细胞分析能够揭示个体细胞在基因表达、蛋白质组成和代谢特性等方面的特异性，对癌症机制研究、早期诊断和个性化治疗具有重要意义。然而，单细胞尺寸微小（通常为5-200μm），使得精确操控成为技术发展的主要瓶颈。

微流控技术凭借其高通量、高精度、低试剂消耗和尺度匹配等优势，已成为单细胞操纵的重要平台。通过耦合流场、电场、磁场和声场等多种物理场，微流控技术能够实现细胞的移动、捕获、释放等精密操作。在诸多操控原理中，基于介电泳（dielectrophoresis, DEP）的方法因其非接触、高精度和良好的生物相容性而表现突出。特别是随着微加工技术和电信处理技术的进步，电场操控细胞时存在的操作复杂性和细胞活性影响等问题已得到显著改善。

尽管现有技术已实现细胞排列、分选、机械刺激等操作，但固定频率的单细胞捕获与释放仍是技术难点。这限制了其在单细胞滴灌封装等高通量应用中的潜力。针对这一需求，Yu等人开发了一种介电泳辅助的微流控芯片，通过流场-电场耦合实现了单细胞聚焦和周期性捕获释放，相关成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》上。

本研究主要采用了几项关键技术：通过理论建模和有限元分析（FEM）确定细胞（K562）和培养基的介电参数（σ_m=55 mS/m, ε_m=7.08×10^-10）以及电场（V_pp和f）、流场（v_l）的耦合参数；利用微加工技术制备了集成叉指电极的微流控芯片；通过Python波形控制模块和精密注射泵实现了电场和流场的协调控制；采用钙黄绿素-AM（Calcein-AM）和碘化丙啶（Propidium Iodide）染色评估细胞活性。所有细胞样本均来自K562细胞系（人慢性髓系白血病细胞）。

Dielectrophoresis-assisted microfluidic device for high-precision and periodic single-cell capture and release

通过建立球形颗粒单壳模型理论，研究人员分析了介电泳力（F_ε）和粘性力（F_τ）对细胞的联合作用。理论计算显示，细胞类型、培养基电导率和电场参数共同影响F_ε的大小和方向。选择K562细胞作为模型细胞，在σ_m=55 mS/m、f=3.11 MHz时获得最佳正向DEP效应。通过平衡F_ε和F_τ，推导出临界条件方程，为实验参数设计提供理论依据。

Theoretical analysis of net force on the cell

有限元分析揭示了电场和流场分布对细胞受力的空间影响。模拟结果显示，电极尖端电场强度最大（图4C），促使细胞向该区域移动。通过量化?|E_rms|²模量（E_m）与V_pp的抛物线关系（E_m=1.72×10¹⁶V_pp²+4.58×10³V_pp-4.69×10⁴），明确了电场强度对捕获效率的调控机制。

FEM analysis of net force on the cell

研究人员通过协调流场速度（v_l）和电场电压（V_pp）实现了五种细胞操控状态：弱聚焦、强聚焦、过渡态、细胞捕获和强捕获（图5B）。在V_pp=16 V时，降低v_l可增强细胞聚焦效果（图6B-E）；提高V_pp则显著增加捕获效率（图8D）。最佳参数下（V_pp=20 V, f=3.11 MHz），捕获效率达97%以上。

FEM analysis cell manipulation

通过叠加方波和正弦波信号设计电场波形，实现了固定频率的细胞捕获与释放。当方波高电平时细胞被捕获（t_on），低电平时被释放（t_off）。通过调节v_l满足t_c=L_c/v_c与t_on/t_off的时序匹配，成功实现了1 Hz的周期性操作（图7C，视频S3）。

Single cell capture and release

实验验证显示，培养基中添加5%葡萄糖可调节电导率至54.7 mS/m，接近理论值。通过建立细胞入口压力与v_c的线性关系（y=8.5×10^-4x-1.12×10^-3），确定了不同捕获频率对应的流场参数（表3）。细胞活性实验表明，处理后细胞仍保持高存活率，证明该技术的良好生物相容性（图S13）。

本研究开发了一种新型介电泳辅助微流控平台，成功实现了单细胞的高精度聚焦和固定频率捕获释放。通过理论建模、有限元分析和实验验证的有机结合，系统揭示了多物理场耦合下的细胞操控机制。该设备不仅具有97%以上的捕获效率和良好的细胞活性保持能力，还能通过编程控制实现周期性操作，突破了现有技术在操纵灵活性和时序控制方面的限制。

该技术的成功开发为单细胞分析提供了强大工具：在基础研究领域，可用于细胞异质性分析、细胞间通信研究等；在临床应用方面，适用于循环肿瘤细胞检测、罕见细胞分选等早期诊断场景；在技术集成层面，可与单细胞测序、滴灌封装等技术联用，推动单细胞精准操控向高通量、自动化方向发展。此外，通过调整电场参数，该平台还有望扩展至细菌、外泌体等更小颗粒的操纵，展现出广阔的应用前景。