Электроманипуляция

Электроманипуляция — это метод анализа микроматериалов, который в основном используется для манипуляций с биологическими клетками и использует свойства различных электрических полей . В нанотехнологиях . наноматериалы настолько малы, что с ними едва ли можно напрямую механически манипулировать Следовательно, электрические поля к ним применяются , вызывающие движения или деформации, вызванные полем . Это недавно разработанная технология, и ее применение все еще расширяется. Типы электронных манипуляций включают диэлектрофорез , электровращение , электродеформацию, электроразрушение, электродеструкцию, электропорацию и электрослияние . Разнообразные электроманипуляции достигаются с использованием различных электрических полей, включая переменный ток (переменный ток) , постоянный ток (постоянный ток) и импульсные (обеспечивают разряды высокой энергии за очень короткие периоды времени) электрические поля. Электроманипуляция клеток позволяет осуществлять разнообразные манипуляции с клетками с минимальным механическим контактом между клетками и структурами устройства. Хотя электроманипуляция преимущественно используется в клетках, она также вносит вклад в другие научные области, такие как технология гибридом и наноэлектронных разработка устройств.

Виды электроманипуляции

Существует семь типов электроманипуляции, некоторые из которых кардинально различаются по назначению и функциям, а некоторые тесно связаны между собой. Наиболее развитым и распространенным типом является диэлектрофорез. Различные манипуляции с микроматериалами можно осуществлять с помощью одной или нескольких из семи электроманипуляций. Различные типы иногда требуют различных электрических полей или условий.

Диэлектрофорез (ДЭП)

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

Цель: перемещение

Состояние: суспензионные среды с низкой электропроводностью ; пространственно неоднородное электрическое поле ^{[ 1 ]}

Теория: Сила ДЭП возникает вследствие дифференциальной поляризуемости клеток и их суспендирующей среды. Существует два типа силы ДЭП: положительная ДЭП (pDEP) и отрицательная ДЭП (nDEP). pDEP указывает на сильные области неоднородного электрического поля, а nDEP указывает на слабые области неоднородного электрического поля. При применении DEP живые клетки можно быстро притянуть к краю электрода , тем самым отделяя живые клетки от мертвых. Диэлектрические свойства ячеек можно анализировать с помощью измерений спектров DEP клеток. ^{[ 2 ]}

Электроротация (ЭР)

Приложенное электрическое поле: колебательный переменный ток

Цель: вращение

Состояние: суспензионные среды с низкой электропроводностью; частота примерно равна частоте среза (сила DEP незначительна)

Теория: ЭР меняет расположение несферических клеток, изменяя частоту колеблющегося электрического поля. ^{[ 2 ]}

Электродеформация (ЭД)

Приложенное электрическое поле: колебательный переменный ток

Назначение: деформация; сравнить вязкоупругие и степенные свойства клеток

Состояние: суспензионные среды с низкой электропроводностью.

Теория: ЭД контролирует и деформирует клетки, которые притягиваются к краю электрода (посредством ДЭП), увеличивая потенциал переменного тока. ^{[ 2 ]}

Электроразрушение

Приложенное электрическое поле: импульсное

Цель: нарушение субклеточных структур.

Состояние: неоднородное электрическое поле

Теория: ЭД осуществляет электроманипуляцию внутри клетки, у которой нарушен цитоскелет и отслоилось ядро. Деградированные клетки выбрасывают цитозольное содержимое и становятся «призраками» (размер клеток примерно в 1,5 раза превышает нормальный). Призраки могут отклоняться импульсными полями и отклоняться переменными полями. ^{[ 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 частоты лизиса, а nDEP используется для уменьшения частоты лизиса. Условия лизиса клеток можно изучать путем переключения амплитуды импульсов. ^{[ 2 ]}

Электропорация (EP) и электрослияние (EF)

Приложенное электрическое поле: импульсное

Цель: разрушение клеточных мембран.

Состояние: неоднородное электрическое поле; диэлектрофоретическое выравнивание клеток

Теория: Разрыва клеточной мембраны можно добиться путем переключения амплитуды, продолжительности, 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 при наличии в клетке избытка воды); другой — обратимый ЭП, который помогает поддерживать жизнеспособность клеток, превращая молекулы в клетки. ^{[ 2 ]}^{[ 1 ]}

Разработка

В начале 20 века были сделаны открытия необратимого разрушения мембран и диэлектрофореза. Эти открытия служат фундаментальными идеями клеточной электроманипуляции. В конце 20 века были разработаны методы клеточной электроманипуляции, основанные на открытии позже обнаруженного обратимого разрушения мембран. ^{[ 3 ]}

Устройства

Приборы для различных видов электроманипуляций постоянно обновляются, в этом разделе представлены некоторые из новых изобретенных ЭМ-аппаратов. Каждое устройство предназначено для выполнения уникального вида электроманипуляции.

Многослойная микроэлектродная структура

Эта многослойная микроэлектродная структура предназначена для селективного манипулирования и разделения биочастиц с помощью диэлектрофореза в бегущем поле.

Цель

Многослойная структура микроэлектрода позволяет биочастицам двигаться в неподвижной поддерживающей жидкости, что приводит к стационарному разделению жизнеспособных и нежизнеспособных дрожжевых клеток. С его помощью также можно добиться транспортировки биочастиц во взвешенных смесях. Он также играет важную роль в качестве неотъемлемого компонента, способствующего технологии «биофабрика на чипе» .

Структура

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

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

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

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

Он также содержит четыре электрические шины для подачи питания на массивы перемещающихся полевых электродов. Электроды на каждой стороне канала совмещены с окнами между электродами на противоположной стороне. Противоположные электроды на каждой стороне канала были спроектированы так, чтобы они были смещены друг от друга.

Преимущества по сравнению со старыми устройствами

Минимизируйте потребление напряжения и потери тепла.
Выполните отбор частиц на очень маленьком образце.
Выступают в качестве строительных блоков в других технологиях, таких как биопроцессоры или биофабрикальные чипы. ^{[ 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

Имеет гораздо меньший масштаб
Имеет меньший риск повреждения клетки; низкая энергия активации и минимизация повреждения тканей и дискомфорта пациента
Имеет меньшую приложенную мощность, напряжение
Работа с несколькими целевыми тканями одновременно
Включает в себя резервуар химических веществ. ^{[ 5 ]}

Другие применения электроманипуляции

Электроманипуляция спин-кроссоверными наностержнями

Комплексы спин-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 спинового состояния молекул. Он организует нанообъекты между электродами. Сила DEP выравнивает наностержни SCO по направлению приложенного электрического поля. Электроманипуляция спин-кроссоверными наностержнями — это новая область электроманипуляции, которая является возможным строительным блоком для наноэлектронных устройств. ^{[ 6 ]}

Электроманипуляция каплями для микрофлюидных приложений

Электроманипуляция каплями подразумевает использование электрических полей для перемещения или формирования небольших количеств жидкостей. При приложении низкочастотного переменного электрического поля к капле жидкости с высокой проводимостью внутри параллельного конденсатора капля деформируется, принимая новую форму. Проведя многочисленные эксперименты, можно свести уравнение, описывающее деформацию капли жидкости. ^{[ 7 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б МакКуин, Люк А.; Бушманн, Майкл Д.; Вертхаймер, Майкл Р. (1 апреля 2008 г.). «Доставка генов методом электропорации после диэлектрофоретического позиционирования клеток в неоднородном электрическом поле» . Биоэлектрохимия . 72 (2): 141–148. doi : 10.1016/j.bioelechem.2008.01.006 . ISSN 1567-5394 . ПМИД 18276199 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Маккуин, Луизиана; Тибо, М.; Бушманн, доктор медицинских наук; Вертхаймер, MR (август 2012 г.). «Электроманипулирование биологическими клетками в микроустройствах» . Транзакции IEEE по диэлектрикам и электроизоляции . 19 (4): 1261–1268. дои : 10.1109/TDEI.2012.6260000 . ISSN 1558-4135 . S2CID 1451885 .
^ Циммерманн, Ульрих; Нил, Гарри А. (16 февраля 1996 г.). Электроманипуляция клеток . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8493-4476-3 .
^ Талари, MS; Берт, JPH; Тейм, Дж. А.; Петиг, Р. (август 1996 г.). «Электроманипуляция и разделение клеток с помощью бегущих электрических полей» . Журнал физики D: Прикладная физика . 29 (8): 2198–2203. дои : 10.1088/0022-3727/29/8/021 . ISSN 0022-3727 . S2CID 250767630 .
^ 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 .
^ 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 . ПМИД 23355030 . S2CID 39282238 .
^ «Электроманипуляция каплями для микрофлюидных приложений» . Springerprofessional.de . Проверено 3 ноября 2021 г.

[:2-1] Jump up to: ^а ^б МакКуин, Люк А.; Бушманн, Майкл Д.; Вертхаймер, Майкл Р. (1 апреля 2008 г.). «Доставка генов методом электропорации после диэлектрофоретического позиционирования клеток в неоднородном электрическом поле» . Биоэлектрохимия . 72 (2): 141–148. doi : 10.1016/j.bioelechem.2008.01.006 . ISSN 1567-5394 . ПМИД 18276199 .

[:0-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Маккуин, Луизиана; Тибо, М.; Бушманн, доктор медицинских наук; Вертхаймер, MR (август 2012 г.). «Электроманипулирование биологическими клетками в микроустройствах» . Транзакции IEEE по диэлектрикам и электроизоляции . 19 (4): 1261–1268. дои : 10.1109/TDEI.2012.6260000 . ISSN 1558-4135 . S2CID 1451885 .

[3] Циммерманн, Ульрих; Нил, Гарри А. (16 февраля 1996 г.). Электроманипуляция клеток . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8493-4476-3 .

[:1-4] Талари, MS; Берт, JPH; Тейм, Дж. А.; Петиг, Р. (август 1996 г.). «Электроманипуляция и разделение клеток с помощью бегущих электрических полей» . Журнал физики D: Прикладная физика . 29 (8): 2198–2203. дои : 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 . ПМИД 23355030 . S2CID 39282238 .

[7] «Электроманипуляция каплями для микрофлюидных приложений» . Springerprofessional.de . Проверено 3 ноября 2021 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]