由于我国生态环境不断恶化,肿瘤发病率呈现出高发态势并表现出持续增长的趋势。随着人们健康意识的提高和医学手段的不断完善,传统肿瘤治疗方法的局限性表现得愈加明显。如手术治疗给患者带来了巨大创伤并且存在刺激肿瘤进一步转移的风险,放射疗法与化学疗法给患者身心均带了负面影响。脉冲电场疗法是近几年兴起的新型肿瘤治疗手法。它基于电穿孔技术,完全采用脉冲电场的刺激治疗肿瘤,保留了肿瘤抗原的完整性,能够有效地激发机体免疫系统,有助于对治疗区以外的微转移灶的攻击。这种完全依靠脉冲电场消融肿瘤的治疗方法展示出良好的发展前景,从而引发国内外学者开展了大量的细胞实验、动物实验对电穿孔进行研究。在细胞实验层面上,传统的电穿孔装置由于体积大、产热多、装置内部大量细胞之间的互相干扰等缺点,并不能够准确而深入地探究相关机理,而利用MEMS技术的微型化、集成化的微流控芯片,则可以解决以上问题,更好地用于细胞电穿孔实验。同时,目前研究者大多根据经验选择所需要的脉冲参数,甚至存在根据硬件所能达到的脉冲参数来确定脉冲刺激参数的现象,有一定的盲目性。为此,本文首先进行了单细胞电穿孔的COMSOL有限元仿真,得出了脉冲宽度与电场强度变化对电穿孔的影响。然后在上述仿真结果的指导下,研制出了一种用于单细胞电穿孔实验的微流控芯片,进行了电穿孔阈值曲线探究以及细胞阻抗测量方面的实验研究,以求初步探索上述问题,为之后细胞、组织和临床实验的参数选择提供一定的指导。取得的主要成果有:(1)借助COMSOL Multiphysics 5.0软件平台,建立起球形单细胞三层介电模型和孔径时变的细胞膜电穿孔数学模型。从仿真结果可以得出,电场强度越大,在脉冲施加以后细胞膜充电越迅速,跨膜电位上升得就越快,达到最大值以后下降速度也越快,最后稳定的电压值也越低,孔密度和孔面积也越大。随着脉冲宽度的增加,最大孔径值也在增大。(2)以玻璃作为基底材料,金作为微电极材料,PDMS作为封装材料,设计并制作了一种可以产生较均匀电场的微流控电穿孔芯片。其中通道的宽度和深度均为30μm,电极厚度也为30μm,宽度为100μm。在通道前端加入了一种鞘流结构,其中鞘流液通道与细胞液通道的夹角为30°,长度比为1:1,可以保证后续实验过程中细胞能够尽可能以单个细胞的形式排队通过微通道并防止阻塞通道。(3)以碘化丙啶(PI)作为荧光指示剂,利用搭建的微流控电穿孔细胞实验平台,对人体卵巢癌细胞SKOV3进行了多组单细胞电穿孔实验。实验结果表明,增加电压幅值和脉冲宽度都能增大PI分子的摄入量,同时电压幅值要比脉冲宽度起到更显著的作用。电穿孔存在一个阈值电压,当施加电压低于阈值电压时,无论如何增加脉宽也不会引发电穿孔现象。不同脉冲宽度所对应的阈值电压也不相同,脉宽越宽,阈值电压越小。绘制了一条电压-脉宽的电穿孔阈值曲线。(4)开展了微观层面上人类黑色素瘤细胞Gll19的研究。实验结果显示,随着频率的增加,阻抗模值呈现降低的趋势。同时,增加脉冲宽度和电压幅值均能使得阻抗模值减小。绘制了不同频率条件下阻抗模值改变不同百分比情况下的电压幅值-脉冲宽度阈值曲线。阻抗下降程度越大,所需脉冲参数就越强,同时不同频率下对应的脉冲参数也不相同。阻抗变化配合细胞活检,可以为后续细胞和临床实验的参数选择提供依据。