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CN113930417A - 一种利用声流体实现量子点细胞内导入方法及导入系统 - Google Patents

一种利用声流体实现量子点细胞内导入方法及导入系统 Download PDF

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CN113930417A CN202111180810.6A CN202111180810A CN113930417A CN 113930417 A CN113930417 A CN 113930417A CN 202111180810 A CN202111180810 A CN 202111180810A CN 113930417 A CN113930417 A CN 113930417A
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acoustic wave
wave resonator
bulk acoustic
container
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CN202111180810.6A
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王艳艳
张淼森
何珊
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Tianjin University
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Tianjin University
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Publication date
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N13/00—Treatment of microorganisms or enzymes with electrical or wave energy, e.g. magnetism, sonic waves
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
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Abstract

本发明公开了一种利用声流体实现量子点细胞内导入方法，使用体声波谐振器产生声流体效应,利用声流体效应改变细胞膜的通透性实现量子点导入。本发明还提供了一种实现上述方法的利用声流体实现量子点细胞内导入系统，该系统包括体声波谐振器、上端开口的容器及接种有细胞的玻片；体声波谐振器的声波输出侧与容器的底部相连，玻片扣合在容器的开口端，且玻片接种有细胞的一面朝向容器的底部，在容器内注有量子点的培养液，体声波谐振器输出的声波通过容器的底部传导至量子点的培养液。本发明方便快捷、低成本且适用于多种量子点细胞内导入。

Description

一种利用声流体实现量子点细胞内导入方法及导入系统
技术领域
本发明涉及一种量子点细胞内导入方法及导入系统，特别涉及一种利用声流体实现量子点细胞内导入方法及导入系统。
背景技术
近年来，量子点材料是一种功能强大的新型无机荧光探针，因其良好的光致发光特性，易于偶联蛋白分子和抗荧光淬灭特性受到越来越多的关注。其中，由二维材料发展而来的量子点材料由于其化学惰性、生物相容性和低毒性等方面的优势，在细胞领域的相关研究中大放异彩。但是在量子点导入细胞的过程中必须克服数个生物障碍才能进入并分散在细胞中。现有的量子点的细胞导入方法包括：将可以与细胞膜受体蛋白相互作用的小分子或者蛋白偶联在量子点上，促进细胞对量子点的吸收；但这种类型的方案需要复杂的前期处理过程，并且往往只能适用于一种量子点和细胞的组合。利用微注射或者微针将量子点导入细胞，虽然可以这种方式的导入位置非常精确，导入量也容易精准控制，但是这种方法导入效率太低，且不当操作容易损伤细胞。很大一部分量子点应用于细胞的研究采用长时间共孵育的方式实现细胞导入。共孵育的方法简单易行，但其耗时长，导入效果易受环境因素及细胞状态影响，导致实验重复性较差，实验说服力下降。
所以，人们需要提出一种可以高效，便于控制，并且能适用于多种量子点和细胞系的量子点导入方法。一方面可以在很短的时间内实现量子点的导入，并能通过调节系统参数精确控制导入量；另一方面可以适用于多种场景，对多种类型的量子点和细胞系均有良好的效果。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种利用声流体实现量子点细胞内导入方法及导入系统。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种利用声流体实现量子点细胞内导入方法，使用体声波谐振器产生声流体效应,利用声流体效应改变细胞膜的通透性实现量子点导入。
进一步地，设置容腔，使接种有细胞的玻片扣合在容腔上，使玻片接种有细胞的一面朝向容腔；在容腔内注有量子点的培养液，量子点的培养液受到体声波谐振器驱动形成声流体，声流体作用于玻片上的细胞，实现量子点的细胞导入。
进一步地，通过调节体声波谐振器与玻片间的距离来控制量子点导入量。
进一步地，容腔为圆柱形或方柱形，通过调节容腔的高度来调节体声波谐振器与玻片间的距离。
进一步地，通过调节体声波谐振器输出声波的振幅来控制量子点导入量。
进一步地，通过调节体声波谐振器的输入功率来调节体声波谐振器输出声波的振幅。
本发明还提供了一种实现上述方法的利用声流体实现量子点细胞内导入系统，该系统包括体声波谐振器、上端开口的容器及接种有细胞的玻片；体声波谐振器的声波输出侧与容器的底部相连，玻片扣合在容器的开口端，且玻片接种有细胞的一面朝向容器的底部，在容器内注有量子点的培养液，体声波谐振器输出的声波通过容器的底部传导至量子点的培养液。
进一步地，体声波谐振器为薄膜体声波谐振器。
进一步地，容器采用聚二甲基硅氧烷制成，将容器的底部键合在体声波谐振器的声波输出侧。
进一步地，容器用硅片模板倒模的方法制作。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明方便快捷、低成本且适用于多种量子点细胞内导入。声流体能暂时改变细胞膜的通透性，实现量子点快速导入。要导入量子点的靶细胞可以是任何类型的细胞系。要导入细胞的溶液可以是任何类型的量子点或其它微纳米材料溶液。可以通过调整谐振器输入功率和谐振器与细胞间的距离精准控制。
附图说明
图1是据本发明实施例的利用薄膜体声波谐振器实现量子点细胞导入的系统示意图。
图2是薄膜体声波谐振器在容腔中产生声流体的流速场仿真图。
图3是本实施方案中声流体作用于细胞膜，改变细胞膜通透性并实现量子点导入的示意图。
图4是本发明的将碳量子点导入到HeLa细胞实施例，与用共孵育的方式将碳量子点导入HeLa细胞的效果对比图。
图5是本发明的将碳量子点导入到HeLa细胞实施例，与用共孵育的方式将碳量子点导入HeLa细胞的导入量对比柱形图。
图6是本发明的一种实施例将碳量子点导入到HeLa细胞时，改变谐振器输入功率，其他参数不变，量子点导入量在不同输入功率下的效果对比图。
图7是本发明的一种实施例将碳量子点导入到HeLa细胞时，改变谐振器输入功率，其他参数不变，量子点导入量与输入功率间线性关系图。
图1中：1、玻片；2、容腔；3、体声波谐振器。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图7，一种利用声流体实现量子点细胞内导入方法，使用体声波谐振器3产生声流体效应,利用声流体效应改变细胞膜的通透性实现量子点导入。
优选地，可设置容腔2，可使接种有细胞的玻片1扣合在容腔2上，使玻片1接种有细胞的一面朝向容腔2；可在容腔2内注有量子点的培养液，量子点的培养液受到体声波谐振器3驱动形成声流体，声流体作用于玻片1上的细胞，实现量子点的细胞导入。
优选地，可通过调节体声波谐振器3与玻片1间的距离来控制量子点导入量。
优选地，容腔2可为圆柱形或方柱形，可通过调节容腔2的高度来调节体声波谐振器3与玻片1间的距离。
优选地，可通过调节体声波谐振器3输出声波的振幅来控制量子点导入量。
最终改变细胞膜通透性的是声流体，声流体是高频声波驱动液体高速流动的现象，如图2仿真所示。声流体具有垂直方向的速度差，它会对玻片1上的细胞产生剪切应力，暂时性的改变细胞膜通透性。通过调节体声波谐振器3的输入功率改变输出声波的振幅，而GHz级高频声波本身在20um的高度以内就被液体完全吸收，不会传播到更远。声波振幅的改变引起液体流速的改变，使其对细胞产生的剪切应力更大，从而控制量子点导入量。
优选地，可通过调节体声波谐振器3的输入功率来调节体声波谐振器3输出声波的振幅。
本发明还提供了一种实现上述方法的利用声流体实现量子点细胞内导入系统，该系统包括体声波谐振器3、上端开口的容器及接种有细胞的玻片1；体声波谐振器3的声波输出侧与容器的底部相连，玻片1扣合在容器的开口端，且玻片1接种有细胞的一面朝向容器的底部，在容器内注有量子点的培养液，体声波谐振器3输出的声波通过容器的底部传导至量子点的培养液。
优选地，体声波谐振器3可为薄膜体声波谐振器。
优选地，容器可采用聚二甲基硅氧烷制成，可将容器的底部键合在体声波谐振器3的声波输出侧。
优选地，容器可用硅片模板倒模的方法制作。
下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作流程及工作原理：
本发明提供一种利用声流体实现量子点细胞内导入方法，该方法使用薄膜体声波谐振器产生声流体效应,利用声流体效应改变细胞膜的通透性实现量子点导入。
本发明以薄膜体声波谐振器产生的振动(GHz)为声流体的能量源，利用声流体改变细胞膜的通透性实现量子点高效导入。本发明中，薄膜体声波谐振器固定在印制电路板上(Printed Circuit Board，PCB)，用金线分别将薄膜体声波谐振器和射频信号接口与印制电路板相连；将聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的容腔2，可将容腔2的底部键合在薄膜体声波谐振器上，再将接种有细胞的玻片1放在容腔2上方。用不同功率的正弦波信号驱动薄膜体声波谐振器高频振动。薄膜体声波谐振器产生的高频声波驱动容腔2中的液体高速流动，也被称为声流体。由于声流体具有垂直方向的速度差，它会对玻片1上的细胞产生剪切应力，暂时性的改变细胞膜通透性，从而在不影响细胞活性的前提下将量子点导入细胞内。
本发明技术方案中的容腔2高度，薄膜体声波谐振器功率均可以根据实际情况调整，从而适应不同细胞系及不同种类量子点的导入需求。本发明方案中薄膜体声波谐振器输入功率和量子点的导入量呈现较好的线性关系，可以通过控制输入功率精准调节量子点的细胞导入量。
薄膜体声波谐振器产生的声波频率可为1GHz-3GHz。
要导入量子点的靶细胞可以是任何类型的细胞系。
要导入细胞的溶液可以是任何类型的量子点或其它微纳米材料溶液。
量子点导入的效果(导入细胞内的量子点的荧光强度)可以通过调整薄膜体声波谐振器输入功率和薄膜体声波谐振器与细胞间的距离精准控制。
图1是据本发明实施例的利用薄膜体声波谐振器实现量子点细胞导入的系统示意图。将聚二甲基硅氧烷(PDMS)容腔2键合在薄膜体声波谐振器上方，接种有细胞的玻片1扣在容腔2上(接种有细胞的一面朝向容腔2)。容腔2中含有量子点的培养液受到薄膜体声波谐振器驱动形成声流体，作用于玻片1上的细胞，实现量子点的细胞导入
图2是薄膜体声波谐振器在容腔2中产生声流体的流速场仿真图。声流体对细胞产生的切应力与流速大小直接相关，而声流体流速大小可以通过调节薄膜体声波谐振器输入功率精确控制。所以量子点细胞导入系统能够精准地控制量子点导入量。
图3是本实施方案中声流体作用于细胞膜，改变细胞膜通透性并实现量子点导入的示意图。声流体对细胞膜产生的切应力暂时改变了细胞膜的通透性，使得量子点能够进入细胞。而声流体对细胞膜通透性的短时改变几乎不会影响细胞活性。
图4是用本实施方案将碳量子点导入到HeLa细胞，与用共孵育的方式将碳量子点导入HeLa细胞的效果图。从图中可以到，本实施方案可以大大提高量子点导入效率。
图5是利用本实施方案将碳量子点导入到HeLa细胞，实验过程中用薄膜体声波谐振器输入功率不同，其他参数不变，量子点导入效果与输入功率有很好的线性关系。通过调节薄膜体声波谐振器的输入功率能够精准地控制量子点的导入效果。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种利用声流体实现量子点细胞内导入方法，其特征在于，使用体声波谐振器产生声流体效应,利用声流体效应改变细胞膜的通透性实现量子点导入。
2.根据权利要求1所述的利用声流体实现量子点细胞内导入方法，其特征在于，设置容腔，使接种有细胞的玻片扣合在容腔上，使玻片接种有细胞的一面朝向容腔；在容腔内注有量子点的培养液，量子点的培养液受到体声波谐振器驱动形成声流体，声流体作用于玻片上的细胞，实现量子点的细胞导入。
3.根据权利要求2所述的利用声流体实现量子点细胞内导入方法，其特征在于，通过调节体声波谐振器与玻片间的距离来控制量子点导入量。
4.根据权利要求3所述的利用声流体实现量子点细胞内导入方法，其特征在于，容腔为圆柱形或方柱形，通过调节容腔的高度来调节体声波谐振器与玻片间的距离。
5.根据权利要求2所述的利用声流体实现量子点细胞内导入方法，其特征在于，通过调节体声波谐振器输出声波的振幅来控制量子点导入量。
6.根据权利要求5所述的利用声流体实现量子点细胞内导入方法，其特征在于，通过调节体声波谐振器的输入功率来调节体声波谐振器输出声波的振幅。
7.一种实现权利要求1至6任一所述的利用声流体实现量子点细胞内导入方法的利用声流体实现量子点细胞内导入系统，其特征在于，该系统包括体声波谐振器、上端开口的容器及接种有细胞的玻片；体声波谐振器的声波输出侧与容器的底部相连，玻片扣合在容器的开口端，且玻片接种有细胞的一面朝向容器的底部，在容器内注有量子点的培养液，体声波谐振器输出的声波通过容器的底部传导至量子点的培养液。
8.根据权利要求7所述的利用声流体实现量子点细胞内导入系统，其特征在于，体声波谐振器为薄膜体声波谐振器。
9.根据权利要求7所述的利用声流体实现量子点细胞内导入系统，其特征在于，容器采用聚二甲基硅氧烷制成，将容器的底部键合在体声波谐振器的声波输出侧。
10.根据权利要求7所述的利用声流体实现量子点细胞内导入系统，其特征在于，容器用硅片模板倒模的方法制作。
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