Электроманипуляция

Электроманипуляция — это метод анализа микроматериалов, который в основном используется для манипуляций биологическими клетками, использующий свойства разнообразных электрических полей . В нанотехнологии наноматериалы настолько малы , что ими вряд ли можно напрямую механически манипулировать. Следовательно, к ним применяются электрические поля для создания индуцированных полем движений или деформаций . Это недавно разработанная технология, которая все еще находится в процессе расширения приложений. Типы электронной манипуляции включают диэлектрофорез , электровращение , электродеформацию, электроразрушение, электродеструкцию, электропорацию и электрослияние . Разнообразные электроманипуляции достигаются с использованием различных электрических полей, включая переменный ток , постоянный ток и импульсные (обеспечивают высокоэнергетические разряды за очень короткие периоды времени) электрические поля. Электроманипуляция клеток позволяет выполнять разнообразные манипуляции с клетками с минимальным механическим контактом между клетками и структурами устройств. Хотя электроманипуляция в основном используется в клетках, она также вносит вклад в другие научные области, такие как технология гибридом и разработка наноэлектронных устройств.

Виды электроманипуляции

Существует семь типов электроманипуляции, некоторые из которых кардинально отличаются по назначению и функциям, а некоторые тесно связаны. Наиболее развитым и распространенным типом является диэлектрофорез. Различные манипуляции микроматериалами могут быть достигнуты с использованием одного или нескольких из семи электроманипуляций. Отдельные типы иногда требуют различных электрических полей или условий.

Диэлектрофорез (ДЭФ)

Приложенное электрическое поле: постоянное или переменное колебательное (в большинстве случаев)

Цель: перемещение

Состояние: суспензионная среда с низкой электропроводностью ; пространственно неоднородное электрическое поле [1]

Теория: Сила DEP создается дифференциальной поляризуемостью клеток и их суспендирующей среды. Существует два типа силы DEP: положительная DEP(pDEP) и отрицательная DEP(nDEP). pDEP указывает на сильные области неоднородного электрического поля, в то время как nDEP указывает на слабые области неоднородного электрического поля. Живые клетки могут быстро притягиваться к краю электрода при применении DEP, тем самым разделяя живые клетки и мертвые клетки. Диэлектрические свойства клеток можно анализировать с помощью измерений спектров DEP клеток. [2]

Электро-вращение (ЭВ)

Приложенное электрическое поле: переменное колебательное

Цель: вращение

Состояние: суспензионная среда с низкой электропроводностью; частота приблизительно равна частоте перехода (сила DEP незначительна)

Теория: ЭР изменяет выравнивание несферических клеток, изменяя частоту осциллирующего электрического поля. [2]

Электродеформация (ЭД)

Приложенное электрическое поле: переменное колебательное

Цель: деформация; сравнение вязкоупругих и степенных свойств клеток

Состояние: суспензионная среда с низкой электропроводностью

Теория: ЭД контролирует и деформирует клетки, которые притягиваются к краю электрода (ДЭП) путем увеличения потенциала переменного тока [2]

Электроразрушение

Приложенное электрическое поле: импульсное

Цель: разрушение субклеточных структур.

Состояние: неоднородное электрическое поле

Теория: ЭД выполняет электроманипуляцию внутри клетки, которая имеет скомпрометированные цитоскелеты и отсоединенные ядра. Деградированные клетки выбрасывают цитозольное содержимое и становятся «призраками» (примерно в 1,5 раза больше нормального размера клетки). Призраки могут быть отклонены импульсными полями и смещены полями переменного тока. [2]

Электродеструкция (лизис)

Приложенное электрическое поле: импульсное

Цель: лизис (распад клетки путем разрыва клеточной стенки или мембраны).

Состояние: неоднородное электрическое поле

Теория: pDEP используется для увеличения случаев лизиса, а nDEP используется для уменьшения случаев лизиса. Условия лизиса клеток можно изучать, переключая амплитуды импульсов. [2]

Электропорация (ЭП) и электрослияние (ЭФ)

Приложенное электрическое поле: импульсное

Цель: Разрушение клеточной мембраны.

Состояние: неоднородное электрическое поле; диэлектрофоретическое выравнивание клеток

Теория: Разрушение клеточной мембраны может быть достигнуто путем переключения амплитуды, длительности, частоты импульсов и количества импульсов импульсного электрического поля. Когда клеточные мембраны разрушаются, некоторые клетки сливаются в одну большую клетку, которая может быть в 3-4 раза больше нормальной клетки. Существует два типа ЭП: один - необратимый ЭП, который может привести к цитолизу (разрыву клеточной мембраны, когда в клетке находится избыток воды); другой - обратимый ЭП, который помогает поддерживать жизнеспособность клеток, одновременно преобразуя молекулы в клетки. [2] [1]

Разработка

В начале 20-го века были сделаны открытия необратимого разрушения мембраны и диэлектрофореза. Эти открытия стали фундаментальными идеями клеточной электроманипуляции. В конце 20-го века были разработаны методы клеточной электроманипуляции на основе открытия позднее обнаруженного обратимого разрушения мембраны. [3]

Устройства

Устройства для различных видов электроманипуляции постоянно обновляются, некоторые из недавно изобретенных ЭМ устройств представлены в этом разделе. Каждое устройство предназначено для выполнения уникального вида электроманипуляции.

Многослойная микроэлектродная структура

Эта многослойная микроэлектродная структура предназначена для селективной манипуляции и разделения биочастиц с использованием диэлектрофореза бегущего поля.

Цель

Многослойная структура микроэлектрода позволяет биочастицам перемещаться в неподвижной поддерживающей жидкости, что приводит к стационарному разделению жизнеспособных и нежизнеспособных дрожжевых клеток. Она также может осуществлять транспортировку биочастиц в суспензионных смесях. Она также играет важную роль как неотъемлемый компонент, способствующий технологии «биофабрика на чипе».

Структура

Он содержит базовую часть и верхнюю часть. Каждая содержит один слой электродов. Базовая часть состоит (снизу вверх):

  1. Один слой стекла
  2. Один тонкий слой хрома
  3. Слой золота толщиной 0,1 мкм
  4. Структура базового электрода

После базовой части наносится изолирующий слой. Поверх изолирующего слоя располагается верхняя часть, которая состоит (снизу вверх):

  1. Структура верхнего электрода
  2. Еще один слой хрома 0,1 мкм
  3. Еще один слой золота 0,1 мкм

Он также содержит четыре электрические шины для питания электродных массивов бегущего поля. Электроды на каждой стороне канала выровнены с окнами между электродами на противоположной стороне. Противоположные электроды на каждой стороне канала были спроектированы так, чтобы быть смещенными относительно друг друга.

Преимущества по сравнению со старыми устройствами

  1. Минимизируйте потребление напряжения и потери тепла.
  2. Выполнить отбор частиц на очень маленьком образце.
  3. Выступают в качестве строительных блоков в других технологиях, таких как биопроцессоры или чипы биофабрик. [4]

Устройство для электропорации

Усовершенствованное устройство для проведения электропорации было изобретено Эндрю М. Хоффом, Ричардом Гилбертом, Ричардом Хеллером, Марком Дж. Ярошески из Университета Южной Флориды в 2010 году.

Цель

Это устройство предназначено для доставки молекулы в ткань с помощью электропорации.

Преимущества по сравнению со старыми устройствами

  1. Имеет гораздо меньший масштаб
  2. Имеет меньший риск повреждения клеток; низкая энергия активации и минимизирует повреждение тканей и дискомфорт пациента.
  3. Имеет более низкую приложенную мощность, напряжение
  4. Работа с несколькими целевыми тканями одновременно
  5. Включает в себя резервуар химических веществ [5]

Другие применения электроманипуляции

Электроманипуляция спин-кроссоверными наностержнями

Комплексы спинового кроссовера образуются ионами переходных металлов . Они могут переключаться между высоким и низким спином, что приводит к изменениям магнитных, оптических, механических свойств и многого другого. Диэлектрофорез (ДЭП) используется для переключения молекулярного спинового состояния. Он организует нанообъекты между электродами. Сила ДЭП выравнивает наностержни SCO с направлением приложенного электрического поля. Электроманипуляция наностержней спинового кроссовера — это новая область электроманипуляции, которая является возможными методами создания строительных блоков для наноэлектронных устройств. [6]

Электроманипуляция каплями для микрофлюидных приложений

Электроманипуляция каплями относится к использованию электрических полей для перемещения или формирования небольших количеств жидкостей. При приложении переменного электрического поля низкой частоты к высокопроводящей капле жидкости внутри параллельного конденсатора капля деформируется в новую форму. Проведя многочисленные эксперименты, можно вывести уравнение, описывающее деформацию капли жидкости. [7]

Ссылки

  1. ^ ab MacQueen, Luke A.; Buschmann, Michael D.; Wertheimer, Michael R. (2008-04-01). «Доставка генов электропорацией после диэлектрофоретического позиционирования клеток в неоднородном электрическом поле». Bioelectrochemistry . 72 (2): 141–148. doi :10.1016/j.bioelechem.2008.01.006. ISSN  1567-5394. PMID  18276199.
  2. ^ abcdef Macqueen, LA; Thibault, M.; Buschmann, MD; Wertheimer, MR (август 2012 г.). «Электроманипуляция биологических клеток в микроустройствах». IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation . 19 (4): 1261–1268. doi :10.1109/TDEI.2012.6260000. ISSN  1558-4135. S2CID  1451885.
  3. ^ Циммерманн, Ульрих; Нил, Гарри А. (1996-02-16). Электроманипуляция клеток. CRC Press. ISBN 978-0-8493-4476-3.
  4. ^ Talary, MS; Burt, JPH; Tame, JA; Pethig, R. (август 1996 г.). «Электроманипуляция и разделение клеток с использованием бегущих электрических полей». Journal of Physics D: Applied Physics . 29 (8): 2198–2203. doi :10.1088/0022-3727/29/8/021. ISSN  0022-3727. S2CID  250767630.
  5. ^ Хофф, Эндрю М.; Гилберт, Ричард; Хеллер, Ричард; и Ярошески, Марк Дж., «Устройство и метод электроманипуляции» (2010). Патенты USF. 509. https://digitalcommons.usf.edu/usf_patents/509
  6. ^ Ротару, Аврелиан; Дюге, Жюльен; Тан, Рисми П.; Гуральский Илья А.; Лосось, Лайонел; Демонт, Филипп; Керри, Джулиан; Мольнар, Габор; Респауд, Марк; Буссексу, Аззедин (2013). «Наноэлектроманипулирование спин-кроссоверными наностержнями: на пути к переключаемым наноэлектронным устройствам». Продвинутые материалы . 25 (12): 1745–1749. дои : 10.1002/adma.201203020. ISSN  1521-4095. PMID  23355030. S2CID  39282238.
  7. ^ "Электро-манипуляция каплями для микрофлюидных приложений". springerprofessional.de . Получено 2021-11-03 .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Электроманипуляция&oldid=1162666340"