打破技术垄断！施一公团队开发具有3D电极的芯片实验室

　　现如今，我们的日常生活环境中充满了由手机、基站和无线路由器等电子仪器发出的人工电磁信号。自20世纪50年代以来，人工电磁信号的功率通量密度急剧增长，已达到自然水平的1018倍，这也引起了人们对这种电磁信号对公共健康副作用风险的日益关注。

　　实际上，这种电磁信号的生物效应已经被深入研究和报道，其中有令人信服的证据表明，可见光波段以外的电磁辐射可以导致动物行为和病理的变化。然而，这些电磁信号的生物效应机制仍不清楚，有待进一步研究。

　　近日，施一公院士团队在 Bioelectrochemistry 期刊发表了题为：A microfabricated lab-on-chip with three-dimensional electrodes for microscopic observation of bioelectromagnetic effects of cells 的研究论文。

　　地球上生命的进化已经持续了超过30亿年，各种物种已经发展出感官系统或受体，以利用环境中各种形式的能量。来自宇宙的和地球上产生的电磁能在自然环境中是丰富的，其频率从1Hz以下扩展1015Hz。可以合理推断，一些物种可能已经发展出某些对这些频率的电磁辐射有反应的生物过程。然而，我们目前对电磁引发的生物反应的知识仅限于那些在接近可见光的狭窄频率范围内（1014Hz）的电磁信号所激发的生物反应。

　　环境中最常见的自然电磁场之一是由闪电产生的电磁场，其频率以10 kHz左右为主。因此，在漫长的进化过程中，生物经常暴露于这种特定频率的电磁辐射中，并有可能发展出相应的反应机制。

　　在动物等复杂生物系统中，系统性的变化（例如报道的由电磁信号引起的生物学变化），通常源于细胞对触发因素的反应。在这种情况下，体外细胞实验是研究这些变化的潜在机制的一种方便手段。

　　然而，目前市面上可用的细胞水平的实验系统大多与电磁刺激不兼容。研究人员通过将直流电刺激或窄带电磁信号（带宽最多只有几十赫兹的电磁波信号）集成到细胞培养仪器中，为基于细胞的实验定制了设置。但在这些实验中，电磁刺激的热效应或细胞与刺激电极直接接触的影响并没有被适当排除。

　　为了更好地研究电磁刺激的非热效应细胞反应，一个精心设计的细胞芯片实验室系统是必不可少的，它允许在没有电极污染或可检测到的温度干扰的情况下进行电磁刺激。

　　目前，可避免电极污染的细胞电磁刺激的商业化芯片实验室系统是医疗器械公司Novocure（著名的肿瘤电场治疗就是由该公司该发）开发的InovitroTM，它由用于细胞培养的陶瓷盘和固定在盘底的印刷电路板上的激发电极组成。然而，由于电极之间的距离较大（2厘米），该系统实现的场强有限。此外，由于陶瓷盘不透明，该系统对细胞显微观察的兼容性也受到限制。

　　电磁信号引发的生物效应一般较温和，这给生物电磁响应机制的识别带来了困难。如果这种响应是剂量依赖性的，那么增强生物系统上的电磁场强度可以导致响应放大，并更容易识别关键的报告系统。但是，强电磁场在大的生物系统中的热效应非常显著，不利于非热效应生物电磁响应机制的研究。相反，微系统由于具有较大的比表面积（单位质量物体具有的总表面积），在散热方面具有优势，可以消除强电磁场带来的不利热效应。

　　在这篇论文中，施一公团队开发了一种生物相容性微尺度试验台，可以同时进行细胞显微观察和低频电磁刺激。该试验台被设计为超薄玻璃基底上的3D叉指电极。使用近似模型估算了包含细胞的电磁场试验台强度，然后将器件批量制造并组装到培养皿中。最后，使用完全组装的试验台原型机进行了生物电磁实验，并在孵育后通过显微镜观察细胞系。

　　试验台的制作流程及其原型机

　　该研究提出了一种微细加工的低频电磁刺激芯片实验室（Lab-on-Chip），具有3D叉指电极，可用于显微镜下观察细胞系。通过模拟，估计了不同频率下电极之间的场强。在10 Vpp、10 kHz输入信号的培养基中，电场强度达到4.45 Vrms/m。研究团队使用全晶圆微细加工技术制作了原型机。

　　接下来，研究团队将人类细胞系HEK293T在这一原型机试验台中培养24小时，并使用显微镜观察，以检查电极的生物相容性。结果显示，该试验台适用于对细胞系进行长期显微观察，以研究电磁对生物结构的影响。

　　考虑到自然电磁环境的频率范围，研究团队选择了闪电的主导频率——10 kHz，作为细胞培养时的电磁刺激频率。该频率同样也包括在手机、电脑等电子设备产生的电磁辐射频率范围内。

　　值得一提的是，在该试验台上进行的24小时电磁刺激细胞培养实验表明，10 kHz的电磁信号对细胞生长有明显的影响。此外，研究团队还监测了整个过程中系统温度的稳定性，其温度波动不超过0.2℃，该设备的电磁刺激的热效应可以忽略不计。

　　这项研究结果表明，特定的电磁信号可能影响了细胞死亡或增殖过程，而这一现象背后的具体机制值得进一步探索。

　　相比对照组（A、B），24小时的10 kHz的电磁信号显著降低了细胞密度（C、D）

　　总的来说，该研究设计了一种具有3D叉指电极的生物相容性试验台，用于研究低频电磁刺激对细胞系的影响，并制作出了原型机。在这一试验台上进行24小时的细胞恒温培养，未观察到细胞有明显缺陷，验证了该原型机对细胞系的生物相容性。此外，在施加10 kHz的电磁信号的过程中，该设备保持了温度稳定性，电磁热效应可以忽略不计。而通过比较有和没有电磁刺激条件下的培养细胞，发现电磁信号可以影响细胞生长，而且可以排除电磁热效应带来的影响。