专利名称：一种用于细胞电融合的微电极阵列芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及细胞电融合的芯片结构。具体涉及细胞电融合实验细胞排队、细胞电穿孔、 细胞电融合的电场梯度和电场强度的产生，细胞电融合实验进样、出样。
背景技术：
生物细胞通过融合可以形成新的细胞，在现代生物医学工程基础领域有着重要的意义。 细胞融合有化学融合方法(如PEG)、物理融合方法，其中物理融合方法中，电场融合方 法因其便于精确控制、重复性好、融合率高等优点而得到了广泛的应用。生物细胞处于非均匀电场中时，被电场激化形成偶极子，该偶极子在非均匀电场作用 力下发生运动，即介电电泳(dielectrophoresis)，利用电介质电泳可以控制细胞的运动，在 细胞电融合过程中，利用电介质电泳现象使细胞排列成串，压紧相互接触的细胞，完成细 胞电融合过程所需的排队和融合后压紧。细胞在强电场作用下，会导致细胞膜穿孔，这种效应称为细胞膜电致穿孔效应 ,(electroporation)。在细胞电融合过程中利用电致穿孔效应，使两接触的细胞膜穿孔，细 胞间进行膜内物质交换，使细胞质、膜融合，在一定强度的电场作用下的电穿孔是一种可 逆穿孔，细胞膜会在减小或撤销电场强度时回复原状，致使细胞电融合过程的膜融合。根据上述分析，为了实现细胞电融合，关键是将细胞置于非均匀电场中，使细胞受到 电介质电泳力和强电场穿孔力。根据电场基本理论电场强度E-V/d，'为了获得较强的电场 强度，必须靠增加电压或縮短电极间距来实现，传统设备的电极间距通常为mm量级，需 要达到102、 103级的外界电压才能达到足够电场强度实现细胞膜穿孔。在细胞电融合的芯 片结构的设计中，微电极阵列和平板电极间的间距为10(Him，仅需要10°或10'级的外界 电压即可实现细胞融合，大大降低了外围电路的设计、制造难度，降低了系统成本，提高 ,了系统的电气安全性和细胞电融合后细胞的成活率，可以促进细胞电融合技术向集成化、 便携式等方向发展。目前，目前国内在细胞电融合芯片研究开发较少，国外在此领域的专利相对较多，如 Pohl在1982年申请的美国专利(4326934)、 Chang在1994年的美国专利(5304486)等。 但目前的细胞电融合芯片普遍存在微电极数量上较少，不能实现高通量细胞电融合。中国专利200610054121.x提出了一种细胞电融合芯片，芯片由从上到下重叠在一起的电极层和 绝缘垫层构成，电极层有单个或多个交叉梳状电极组、与该交叉梳状电极组连接的引出导 .线以及位于该交叉梳状电极组之间及其四周的流路通道。其中的交叉梳状电极组由两个互 不接触的其梳齿间相互交叉插入的梳状电极板构成，均为相互交叉插入的梳齿之间和梳齿 尖与梳脊之间是该交叉梳状电极组与所述流路通道相通的工作段通道；在围出工作段通道 的梳齿上排列有柱状的阵列电极。其优点在于集成电极数目多，在一定程度上实现了细胞 的大量融合，但其缺点在于流路通道较窄，不利于样品液的进出样及后期培养。同时，微 电极产生的电场强度和电场梯度比较弱，而且加工材料选择方面抗腐蚀、抗氧化能力也较 弱。国内外相关专利如下2006画54121.x， 2006年，重庆大学；CN1482234, 2003年，中国科学院上海技术物理研究所；4326934， April 27， 1982， Pohl;441972， April 10， 1982， Pohl;4578168， March 25， 1986， Hofman ;4695547， September 22， 1987， Hillard;4699881， October13， 1987， Matschke et. al;5007995， April.16, 1991， Takahizuki 。发明内容本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种用于细胞电融合的微电极阵列芯片，提 .高细胞电融合效率，降低外围电路的设计、制造难度，降低系统成本，提高系统的电气安 全性和细胞电融合后细胞的成活率。本发明的技术方案如下本发明提出的细胞电融合的微电极阵列芯片分为两个独立的模块微电极阵列模块和 融合池及平板电极模块。
所述微电极阵列模块分为3层，分别是硬质绝缘基底层，电极阵列层和金属层。层与 层之间的连接通过键合或金属溅射、沉积或粘接实现。所述硬质绝缘基底层采用玻璃、有机玻璃等硬质绝缘类芯片加工材料。在基底层上加 工一过孔，以让金属引线穿过与电极阵列层键合或焊接工艺连接，引入外围电信号。所述电极阵列层采用硅材料通过MEMS加工工艺，在50pm厚度的硅片材料上刻蚀 10 40pm的凹槽以形成阵列化的微电极，微电极间相互连接，可以实现各微电极间空间结 构相互独立，而电气结构上相互连接；微电极的形状根据对象细胞确定，可以为圆形柱状、 矩形柱状、多边形柱状结构，或者为圆形锥状、矩形锥状、多边形锥状结构。所述融合池及平板电极模块由硬质导电类材料加工的基座和在基座上加工出的融合池 构成。融合池为在金属等硬质导电类芯片材料上加工刻蚀出一个矩形凹槽而成，功能在于 容纳样品液，实现样品进样出样，内凹槽平整底面作为平面电极使用。在基座上加工有多 个进、出样孔，分别与融合池底部同方位上的进、出样孔相连，通过外部流体控制装置实 现样品液的自动进样与出样，减小对融合后细胞的物理损伤，提高其存活能力。通过选择 不同的进样和出样孔，可以控制整个芯片结构内样品的流动及进出样。所述微电极阵列模块上的电极阵列层的尺寸小于融合池及平板电极模块上的融合池的 尺寸，微电极阵列模块覆盖于融合池及平板电极模块上，电极阵列层浸入融合池的细胞融 合样品液中，当施加外界电刺激信号，即在微电极阵列与融合池中的平板电极间的微小间 距中产生高强度的非均匀梯度电场，促进细胞的聚集排队和电穿孔的能力，实现细胞电融 合过程，提高细胞电融合效率。本发明提出的细胞电融合的微电极阵列芯片结构具有以下优点本发明结构简单，加工工艺成熟，容易推广；采用MEMS加工技术可以实现微电极的 精密加工，保证细胞电融合过程的精确实施与控制；阵列化电极结构提供了大量的微电极， 可以保证细胞电融合的通量；针对对象细胞的多样化实现微电极结构的多样化，以获取更 好的融合效果；微电极上溅射铂等金属材料，可以提高微电极的电气性能，改善内部电场 分布，同时，铂等金属材料良好的生物相容性保证了融合细胞的活力与安全性；融合池及 平板电极模块实现了功能的多样化；自动进样和自动出样减小对融合后细胞的物理损伤， 提高其存活能力。
图1是本微电极阵列芯片结构2是本微电极阵列芯片中融合池及平板电极模块结构 图3是本微电极阵列芯片中微电极阵列模块结构 图4是本微电极阵列芯片中微电极结构具体实施方式
实施例1:首先，在玻璃等硬质绝缘类芯片加工材料表面键合一层硅片材料，采用MEMS加 工技术在硅片上刻蚀一定深度的凹槽，形成硅质微电极阵列，并在电极表面沉积铂等惰性 金属材料提高耐腐蚀能力和生物相容性，并通过金属引线将微电极阵列与外围电路相连以 引入电信号。容纳样品液的融合池为金属等硬质导电类芯片加工刻蚀出一个矩形凹槽而成。 实验中，将微电极阵列浸入样品液中，参见图1，微电极阵列芯片由两块相互独立的模块组合而成，分别为微电极阵列模块 A和融合池及平板电极模块B。 .结合参见图2，融合池及平板电极模块B采用不锈钢为材料，先加工出基座2，然后 在基座2上加工出凹槽形融合池3。融合池3的底部同时作为平板电极1使用。在基座2 的四个角上加工了四个通孔4，用于通过螺钉等固定融合池及平板电极模块。在基座2上 还加工有进样孔5-1和出样孔6-1，分别与融合池3底部同方位上的进样孔5-2和出样孔6-2 相通(在融合池3内进样孔5-2和出样孔6-2对应的一侧也有进样孔和出样孔，图中被遮 '挡，未示出)，出于方便进出样的考虑，采用细管15分别插入基座2上各孔中。进样孔5-1、 进样孔5-2和细管15构成进样通道，出样？L6-1、出样孔6-2和细管15构成出样通道，样 品经过进样通道注入融合池3，融合后样品经过出样通道流出融合池3。再结合参见图3，微电极阵列模块A采用玻璃为硬质绝缘基底层8，上面键合5(Hrni厚 度的硅片9，在硅片材料上刻蚀10 4(Vm的凹槽以形成阵列化的微电极，微电极间相互连 接，通过导线引入相同的控制电信号。如图4所示，微电极的表面13形状和微电极角度 14可根据应用目的的不同有所差异，在微电极表面13通过溅射形成Pt膜，厚度为l~2pm。 微电极的结构一致，可以是图5所示的矩形锥状，也可使其它如圆形柱状、矩形柱状、多 边形柱状结构，或者为圆形锥状、多边形锥状等结构。在微电极阵列模块基底层8上加工 -一个通孔ll，导线12经过此孔连接到硅片9上，以引入外围电路信号。微电极的表面13 形状、微电极角度14以及微电极表面13和平板电极1之间距离对于两电极间形成的电场 具有很大的影响，通过对形状和尺寸的改变可以进行调整。融合池及平板电极模块基座2和微电极阵列模块基底层8的尺寸均为50 (长)X 40 (宽)X 5 (高)mm;融合池外围尺寸为36 (长)X 26 (宽)X 5'(高)mm，内部尺寸 为30 (长)X 20 (宽)X 1 (高)mm;通孔4尺寸为①4mm，基座上的进/出样孔尺寸为 0 3mm;融合池内的进/出样孔尺寸为①lmm;细管尺寸为外径O 3mm内径0> 2mm;微电极阵列尺寸为30 (长)X 20 (宽)X 0.6 (高)mm;微电极的尺度根据实验对象细胞确定。微电极阵列10的加工方法如下-(1) 在硅片材料上溅射Pt;(2) 刻蚀Pt，以形成顶端金属电极层；(3) 刻蚀一定深度的Si，以形成微电极阵列；(4) 在硬质绝缘基底层上牢固固定硅片材料。实验中，样品可以通过设定的进样通道注入融合池3，将微电极阵列模块A朝下覆盖 于融合池及平板电极模块B上，使微电极阵列IO浸入融合池的样品液中，在微电极阵列 和融合池上施加电刺激信号，外围电信号通过导线12在平板电极1和微电极阵列之间形成足够梯度和强度的非均匀电场，产生细胞电融合需要的电场，完成细胞电融合实验，完成融合后，再通过设定的出样通道流出融合池3，进行后期筛选、培养等工作。
权利要求
1. 一种用于细胞电融合的微电极阵列芯片，其特征在于该芯片由微电极阵列模块和融合池及平板电极模块组成；所述微电极阵列模块由硬质绝缘基底层与键合或用粘和剂固定在基底层上的电极阵列层构成，电极阵列层通过金属引线与外部信号发生电路连接，引入电信号；所述融合池及平板电极模块由硬质导电类材料加工的基座和在基座上加工出的融合池构成，融合池底部同时作为平板电极使用，在基座上加工有进、出样孔，分别与融合池底部同方位上的进、出样孔相连；所述微电极阵列模块上的电极阵列层的尺寸小于融合池的尺寸，微电极阵列模块覆盖于融合池及平板电极模块上，电极阵列层浸入融合池的细胞融合样品液中，当施加外界电刺激信号，即在电极阵列层的微电极阵列与融合池中平板电极的微小间距间形成高强度的非均匀梯度电场，实现细胞电融合过程。
2. 根据权利要求1所述的用于细胞电融合的微电极阵列芯片，其特征在于所述电极 阵列层采用硅材料通过MEMS加工工艺实现；所述硬质绝缘基底层釆用玻璃或有机玻璃。
3、 根据权利要求2所述的用于细胞电融合的微电极阵列芯片，其特征在于所述微电 极阵列是在50pm厚度的硅片材料上刻蚀10~40nm的凹槽以形成阵列化的微电极，微电极 间相互连接，通过导线引入相同的控制电信号。
4. 根据权利要求3所述的用于细胞电融合的微电极阵列芯片，其特征在于所述微电 极阵列中的微电极结构一致，均为圆形柱状、矩形柱状、多边形柱状结构，或者为圆形锥 状、矩形锥状、多边形锥状结构，微电极的尺度根据实验对象细胞确定。
5、 根据权利要求4所述的用于细胞电融合的微电极阵列芯片，萁特征在于所述微电 极的顶端有铂溅射层，厚度为l 2pm，硅电极层厚度为50iLim。
6、 根据权利要求l、 2、 3、 4或5所述的用于细胞电融合的微电极阵列芯片，其特征 在于所述微电极阵列模块的导线经由硬质绝缘基底层上的过孔，采用键合或焊接工艺与 微电极阵列相连。
7、根据权利要求l所述的用于细胞电融合的微电极阵列芯片，其特征在于:所述的融 合池及平板电极模块采用硅或金属类硬质导电类芯片加工材料通过紧密加工工艺实现。
8、根据权利要求7所述的用于细胞电融合的微电极阵列芯片，其特征在于在所述融 合池及平板电极模块的基座的进、出样孔分别插入细管。
9、根据权利要求7或8所述的用于细胞电融合的微电极阵列芯片结构，其特征在于所述融合池及平板电极模块通过基底上加工有固定模块的孔进行固定。
10、根据权利要求5所述的用于细胞电融合的微电极阵列芯片，其特征在于所述微 电极阵列的加工方法如下-(1) 在硅片材料上溅射Pt;(2) 刻蚀Pt，以形成顶端金属电极层；(3) 刻蚀一定深度的Si，以形成微电极阵列；(4) 在硬质绝缘基底层上牢固固定微电极阵列。
全文摘要
本发明提出一种用于细胞电融合的微电极阵列芯片，由微电极阵列模块和融合池及平板电极模块组成。微电极阵列模块由硬质绝缘基底层与电极阵列层构成，电极阵列层通过金属引线引入电信号；融合池及平板电极模块由基座和在基座上的融合池构成，融合池底部同时作为平板电极使用；微电极阵列模块上的电极阵列层的尺寸小于融合池及平板电极模块上的融合池的尺寸，微电极阵列模块覆盖于融合池及平板电极模块上，电极阵列层浸入融合池的样品液中，当施加外界电刺激信号，即在微电极阵列与融合池中的平板电极电极微小间距间形成高强度的非均匀梯度电场，实现细胞电融合过程。该芯片可提高细胞融合效率和芯片的耐腐蚀性，改善微电极阵列芯片的生物相容性，保证融合细胞的安全性和细胞活力。
文档编号C12N15/02GK101250482SQ20081006951
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月28日 优先权日2008年3月28日
发明者侯文生, 侯长军, 斌 夏, 张瑞强, 毅 曹, 军 杨, 静 杨, 宁 胡, 蓉 许, 郑小林, 阴正勤, 霍丹群 申请人:重庆大学