Microsystems & Nanoengineering | 复旦大学陈颉团队实现负介电泳与微孔集成的多功能单细胞捕获平台

一、研究背景

单细胞水平的研究能够揭示细胞间关系与活动的关键信息，对理解生物系统的多样性与复杂性、疾病机制及治疗响应至关重要。在众多单细胞分离手段中，微流控系统因高通量、操作简便、可在芯片上直接分析等优势被广泛采用。介电泳（dielectrophoresis, DEP）是其中一种重要的细胞操控技术——可极化颗粒在非均匀电场中会受到电场作用力的驱动，凭借无标记、高选择性、高精度与可编程等特点，在生物与临床应用中潜力显著。根据细胞相对周围介质的可极化程度，DEP 可分为正介电泳（pDEP）与负介电泳（nDEP）。

当前主流方法多采用 pDEP 与微孔结构相结合：pDEP 将细胞吸引至电场强度更高的区域，可在更大范围内施加更强的捕获力，因而被广泛用于单细胞裂解、测序及多药耐药异质性分析等场景。然而，pDEP 依赖低电导率缓冲液，难以适用于模拟体内环境的高电导率生理介质，限制了其在生理相关研究中的应用。相比之下，nDEP 兼容高电导率环境，可在生理介质中有效工作，但其有效捕获区域较小、捕获效率偏低，尤其在与微孔等结构集成时面临巨大挑战，难以满足裂解、测序等需要独立反应腔室的应用需求。因此，如何将 nDEP 与微孔结构有效集成，兼顾生理相容性与高效单细胞捕获，成为该领域的关键挑战。

二、核心发现

近日，复旦大学生物医学工程与技术创新学院陈颉教授团队在Nature旗下期刊 Microsystems & Nanoengineering发表题为Microwell-based nDEP Multifunctional Microfluidic System for Single-cell Capture and Analysis的研究论文。该研究首次将 nDEP 与新型微孔结构集成于同一芯片，通过在环形电极中心直接刻蚀玻璃微孔，突破了 nDEP 有效捕获区域受限的瓶颈，实现了高占位率的精准单细胞捕获。研究将三维 COMSOL 仿真与实验验证相结合，系统解析了电极几何参数与通道高度对捕获性能的影响，并据此优化器件设计；平台还集成了阻抗定量与捕获后细胞分化功能，展示了良好的多功能性。该研究为高电导率生理环境下的单细胞分析提供了一种低成本、微型化、自动化的解决方案。

【图1：平台核心结构与单细胞裂解操作流程示意图】

仿真指导的器件设计与微孔制造

研究团队采用三维 COMSOL 模型模拟 nDEP 力的空间分布，证实环形电极可在中心形成电场最小值，将细胞导向捕获位点。仿真发现 nDEP 向下捕获力仅在通道底部有限区域内维持，据此团队系统优化了电极间距、环形电极内径与电极宽度，并最终选定电极间距 20 μm、环形电极内径 30 μm、电极宽度 7 μm 及通道高度 25 μm 的设计方案。器件经直接玻璃刻蚀制成，共聚焦显微测量显示微孔平均深度 23.74 μm、底部直径 21.77 μm，足以容纳单个细胞。仿真还表明微孔的引入几乎不改变 nDEP 力大小，而在生理缓冲液中 nDEP 力显著高于 pDEP，凸显了其在生理相容场景下的实际优势。

【图2：环形电极结构的 COMSOL 电学特性仿真】

高效单细胞捕获、阻抗定量与捕获后细胞功能验证

研究分别以 15.8 μm 聚苯乙烯微珠与平均直径约 15 μm 的 HEK-293 细胞验证了器件性能。在 1 MHz、适宜电压条件下，单颗粒捕获在各实验条件下均占主导。进一步地，团队建立了基于阻抗变化的捕获数量定量方法：在 10 kHz 下，微珠与细胞的捕获数量与阻抗变化呈高度线性相关（R² 分别为 0.9565 与 0.9242，P < 0.0001），为光学监测提供了可靠替代方案。为验证捕获细胞的活性与功能，团队进一步以 nDEP 捕获神经干细胞（NSC）神经球，并在芯片上完成分化培养：捕获后 2 小时神经球贴壁，24 小时内的明场成像证实细胞活性良好；免疫荧光染色（神经元标志物 TUBB3、细胞核 DAPI）证实其成功分化为神经元，展示了该平台在捕获后开展细胞功能研究方面的潜力。

三、论文信息

这一成果以《Microwell-based nDEP Multifunctional Microfluidic System for Single-cell Capture and Analysis》为题，发表Nature旗下期刊 Microsystems & Nanoengineering。复旦大学生物医学工程与技术创新学院博士后蒋天翔为本文第一作者，复旦大学生物医学工程与技术创新学院陈颉教授为本论文通讯作者。