细胞电穿孔(Cell Electroporation)是指细胞在外加电场的作用下,细胞膜脂双层上形成瞬时微孔,正常情况下不能通过细胞膜的大分子(如DNA、RNA、蛋白质等)通过微孔进入细胞,电场撤除后细胞膜自行封闭等一系列生物物理过程。电穿孔技术得益于其是一种纯物理操作,具有无化学或生物污染、适用范围广、相对高效等特点,正在取代传统的脂质体穿孔和病毒穿孔技术而成为最有前景的细胞转染技术。　　 传统的基于平行电极板的电穿孔设备需要数千伏的电压来完成细胞电穿孔,由此带来了效能低下、成本高、安全性差等一系列问题。微加工技术的出现为细胞电穿孔带来了新的机遇,通过缩小电极间距,可以将电穿孔所需的电压减小至数伏,从而缓解高电压带来的问题。但目前的微型细胞电穿孔器件普遍存在电穿孔效率低(小于50％)、细胞死亡率高(高于40%)、适用范围窄、不能稳定工作等缺陷,远不能满足实际应用的要求。为改善现有研究中存在的缺陷,本论文对微型细胞电穿孔芯片进行了全面的研究。　　 首先,本论文研究了电穿孔理论中的各项参数(电场强度、电压、电脉冲宽度和次数、缓冲液参数)对细胞电穿孔效率和存活率的影响。通过理论计算和大量实验,本论文发现电极结构和尺寸的设计是提高电穿孔性能的关键。通过进一步研究4种电极结构及8种电极尺寸的电穿孔性能,本论文发现微电极设计带来的电场分布的不均匀性引起的“尺寸效应”和电解水带来的“阴极效应”会严重降低细胞穿孔效率和存活率。电极间距越小,这两种效应的影响越显著,所以过度追求电极间距的降低和电压的减小将引起细胞穿孔效能的严重下降。本论文选择间距为500μm的环形叉指电极作为最优的设计。　　 基于上述研究的成果,并考虑到生物学研究中对电穿孔芯片的实际要求,本论文研制了基于微加工环形叉指电极的多孔板电穿孔器件,并获得了迄今为止报道过的最佳细胞穿孔率(90%)、存活率(90%)和细胞适用范围(涵盖生物学研究中所有常用种类的细胞、DNA和siRNA)。在此基础上,本论文亦开发了基于该器件的成套电穿孔系统,其工作电压为100伏以下。　　 活体组织细胞电穿孔是基因药物靶向给药等方面最有前景的技术之一。在对细胞电穿孔器件原理的研究基础上,为了克服常用的双针式电穿孔的缺陷(不均匀电场,高电压,针尖穿透对组织带来的伤害),本论文研制了基于Parylene柔性衬底和叉指电极的电穿孔芯片。该芯片成功的实现了向小鼠腓肠肌和肿瘤组织输运DNA和siRNA,输运效率高于已有报道:同时,也实现了siRNA抑制肿瘤生长的目标。该芯片突破了现有微型器件只能透皮输运分子而不能将分子输运进细胞内部的局限,同时,所有的小鼠在经过电穿孔后都保持了良好的健康状态,没有出现任何残疾。　　 为了满足基因功能研究和药物筛选等领域所需的连续不断大量处理细胞的要求,本论文开发了微流控电穿孔芯片。通过详细的分析及实验,本论文采用了创新的设计思路:使用较大的流体通道来满足高通量的需求,并避免剪切力对细胞的伤害;利用微流体呈现的层流特性来隔离细胞和微电极,从而避免电极附近电解水产生的有害效应对细胞的伤害。通过以上设计,本论文所述的芯片在数十伏的工作电压下获得了优秀的细胞穿孔率(90%)、存活率(60%)、细胞处理速度(1.5×105个/分钟)和广泛的细胞适用范围。