阅读说明：本技术 基于光力组装周期细胞结构的方法 (Based on the cyto-architectural method of luminous power assembling cycle ) 是由 辛洪宝 李宝军 李宇超 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光力组装周期细胞结构的方法,包括以下步骤：制定锥型光纤、配备混合悬浮液、安装锥形光纤、周期细胞结构组装与光传输性能探测；所述步骤S1制备的光纤锥形区直径在1~10μm,长度在2~50μm,锥形光纤末端锥角在70~120o；所采用的激光是近红外的激光和单色性好的可见光；根据组装的细胞链长度来决定所用激光的功率,当长度小于100μm时,功率要小于60mW。本发明所提供的方法实现了完全基于光力的周期细胞结构组装,组装过程不需要依赖于复杂的微结构衬底,组装的细胞结构具有可控的周期性,且具有单细胞精度的操控性,组装的细胞结构还可以实现灵活的移动,传输的信号可以被实时监测。(The invention discloses one kind to be based on the cyto-architectural method of luminous power assembling cycle, comprising the following steps: formulates tapered optical fiber, outfit mixing suspension, installation conical fiber, cycling cells structure and assembles and detect with optical transmission performance；The optical fiber tapered zone diameter of the step S1 preparation is at 1 ~ 10 μm, and length is at 2 ~ 50 μm, and conical fiber terminal bevel is in 70 ~ 120o；Used laser is the laser and the good visible light of monochromaticjty of near-infrared；The power of laser used is determined according to the cell chain length of assembling, when length is less than 100 μm, power is less than 60mW.The cycling cells structure assembling that method provided by the present invention realizes based entirely on luminous power, assembling process is not need to rely on complicated micro-structure substrate, the eucaryotic cell structure of assembling has controllable periodicity, and it is handling with unicellular precision, the eucaryotic cell structure of assembling can also realize flexible movement, and the signal of transmission can be by real-time monitoring.)

基于光力组装周期细胞结构的方法

技术领域

本发明属于微粒和生物细胞组装成型技术领域，涉及一种基于光力组装周期细胞结构的方法。

背景技术

将不同细胞按照特定空间排布组装成指定的形状在组织工程、细胞试验、细胞通信等很多生物医学应用中都有重要意义。传统用于细胞组装的方法主要是将细胞固定在事先制定的衬底上，例如微印刷术、光刻、介电泳、电化学沉积等。然而，这些方法一般需要用到具有精细微结构的衬底或者电极来确定细胞的位置，此外这些方法缺乏单细胞控制精度。虽然也有一些方法能够实现单细胞精度的细胞结构组装，例如蘸水笔纳米光刻术、全息光镊光捕获技术、DNA编码技术等。但是这些方法不能实现对不同种类细胞的同时可控组装，从而无法实现对不同种类细胞的信号交流研究。此外，这些方法组装的细胞结构被固定在某个位置，不能进一步的操控，限制了细胞微结构的进一步应用。虽然光力，特别是光梯度力，已经被应用于微粒和细胞的捕获、移动以及操控，但却并没有实现对微粒和生物细胞的可控组装。为了解决这些问题，本发明提供了一种基于光力组装周期细胞结构的方法。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供一种基于光力组装周期细胞结构的方法，解决了现有技术中进行细胞组装时存在的微结构衬底复杂、缺乏单细胞控制精度、不能实现对不同种类细胞的同时可控组装、组装的细胞结构被固定在某个位置不能进行进一步操控的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种基于光力组装周期细胞结构的方法，包括以下步骤：

一种基于光力组装周期细胞结构的方法，包括以下步骤：

步骤S1：制作锥形光纤

使用光纤剥线钳去除商用单模光纤跳线的缓冲层和塑料外套，去除部分长度；将去除外套的光纤伸入毛细玻璃管中，将末端拉出在酒精灯外焰加热155~160s后，光纤开始熔化；将光纤在火焰上端拉断，光纤末端形成一个锥形末端，即为锥形光纤；所述光纤锥形区直径在1~10µm, 长度在2~50µm，锥形光纤末端锥角在70~120º，这使得捕获效率和操控灵敏度更高；

步骤S2：配备混合悬浮液

将大肠杆菌置于LB培养基中于37℃培养12h，然后用磷酸盐酸缓冲液进行清洗与稀释，直到浓度为3.0×10⁶个/mL；小球藻细胞通过去离子水稀释至1.0×15⁶个/mL；然后将大肠杆菌细胞和小球藻细胞混合，二者悬浮液的体积比为1:2；随后将混合悬浮液滴加到玻璃片上，并将玻璃片放于显微镜的二维移位平台上备用；

步骤S3：安装锥形光纤

将两根锥形光纤分别放置于实验装置的毛细玻璃管内，两根锥形光纤的末端均浸没在细胞悬浮液中；

所述实验装置，包括光耦合器、两个毛细玻璃管、两个调节架、平移台、光功率计、CCD显微镜、电脑；所述两个毛细玻璃管分别固定在两个调节架上，两个玻璃管的中心线共线，两个调节架的调节精度均为50nm；两个毛细玻璃管之间是平移台，平移台上可放置装有悬浮液的玻璃片，毛细玻璃管内放置光纤，左侧毛细玻璃管内的光纤连接至光耦合器，右侧毛细玻璃管内的光纤连接在光功率计上，平移台的上方是一CCD显微镜，CCD显微镜可连接至电脑；近红外的激光和单色性好的可见光通过一个2×1光耦合器接至光纤；

步骤S4：周期细胞结构组装与光传输性能探测

往锥形光纤中通入近红外的激光，激光在锥形光纤末端聚焦，进一步对附近的大肠杆菌细胞产生光梯度力实现光力捕获，捕获细胞后，激光可以进一步在细胞中传输，捕获大肠杆菌；通过移动锥形光纤（此处并不局限于光纤移动，也可以是光纤不动，平移台动或者二者都移动，但是只移动光纤这种方法更具可控性，可以将光纤移动到指定的任意位置，实现对指定的细胞捕获与组装，且操作简便），将捕获的大肠杆菌细胞移动到小球藻细胞附近，激光在大肠杆菌末端出射后产生的光力将小球藻捕获，从而将小球藻与大肠杆菌连接在一起；类似的，可以捕获更多的细胞，从而组装结构可控的周期细胞结构；传输的近红外的激光通过右侧锥形光纤耦合到光功率计中，可以进行实时的光传输探测； 近红外的激光可以使组装的周期细胞结构在液体中稳定存在，将单色性好的可见光耦合进锥形光纤中，可以看到激光在光波导中传输。

进一步的，所述步骤S1中，部分长度的范围为25~45cm。

进一步的，所述步骤S1中，使用11~20mm/s的速度将火焰上端的光纤拉断。

进一步的，所述步骤S1中，光纤跳线芯径为9μm，包层为125μm；毛细玻璃管的长度为120mm，内径为0.9mm，管壁厚0.1mm。

进一步的，所述步骤S4中近红外的激光需要满足细胞对其吸收弱的波长，从而减少对细胞的损伤，进一步优选980nm的激光、808nm激光、1064nm激光；所述单色性好的可见光可以进一步优选644nm的红光、473nm的蓝光或532nm的绿光，这三种激光是目前实验室最常见的，单色性好的，也是生产成本最低的。

进一步的，所述步骤4中，大肠杆菌细胞可以连接单个小球藻细胞、也可以连接两个小球藻细胞；根据组装的细胞链长度来决定所用激光的功率，所需功率随着需要组装的细胞链长度增加而增加，当长度小于100µm时，功率要小于60mW。

对于步骤1，制作锥形光纤中 “光纤剥线钳去除光纤长度选择25~45cm、光纤跳线芯径为9μm，包层为125μm、毛细玻璃管的长度为120mm，内径为0.9mm，管壁厚0.1 mm，11~20mm/s”，其中，“25~45cm”便于将这一段光纤伸入毛细玻璃管中，从而方便操控与固定光纤；“光纤跳线芯径为9μm，包层为125μm、毛细玻璃管的长度为120mm，内径为0.9mm，管壁厚0.1mm”这是光纤的固有和所用毛细玻璃管的固有参数； “11~20mm/s”的拉制速度可以拉出实验中用到的光纤锥形形状，速度太快，拉出的形状很难成锥形，速度太慢，拉出的光纤太细。

对于步骤4，捕获不同细胞都可以用980nm的激光，并不局限于本发明的细胞，980nm的激光是用来产生光力用来捕获，也可以选用其他近红外的激光，例如808nm，1064nm等；而644nm的激光是用来观察光在这些组装的细胞中传输的，因为644nm为红色激光，也可以选用其他可见光，例如473nm的蓝光，532nm的绿光。

本发明的原理是利用光学散射力实现细胞的捕获与组装，没有用到光散射力与辐射力。细胞在光梯度力的作用下被捕获，激光在捕获的细胞中传输，进一步在细胞末端聚焦，产生新的光梯度力，从而捕获下一个细胞，实现更多细胞的组装。光力组装周期细胞结构直接由光力控制，不需要复杂的微加工结构，且组装的细胞结构直接通过移动光纤来实现，具有单细胞精度可控性；毛细玻璃管能确保锥形光纤笔直地伸入细胞悬浮液中，还能使锥形光纤被调节架灵活的调节位置；右侧锥形光纤连接在光功率计上，用来随时监测传输的光信号；显微镜用于实时观测实验过程，CCD用于捕捉实验图片，实验数据传至电脑后进行进一步的分析；左侧锥形光纤用于组装细胞结构，右侧锥形光纤用于输出光信号的探测；其中980nm的激光用于光力组装细胞，644nm的激光用于观测光在组装的周期细胞结构中的传输情况。

本发明的有益效果是：

实现了完全基于光力的周期细胞结构组装，组装过程不需要依赖于复杂的微结构衬底，组装的细胞结构具有可控的周期性，且具有单细胞精度的操控性，组装的细胞结构还可以实现灵活的移动，传输的信号可以被实时监测。对于生物细胞组装与成型技术领域的研究提供了新思路，细胞组装过程不需要复杂的微纳制作工艺，组装过程简单可控、易操作，组装的细胞结构可以进行灵活的操控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是光力组装周期细胞结构的构建流程图（依次为a、b、c、d）。

图2是组装细胞结构以及信号传导与探测的实验装置图。

图3是锥形光纤扫描电镜图。

图4是组装的不同长度的周期细胞结构以及光学传输性能表征图（图4中I和II的插图给出了组装的细胞结构的放大图）。

图5是组装的大肠杆菌连接两个小球藻的细胞结构以及光学传输性能表征图。

图6是组装的细胞间距具有等差数列长度的结构以及光学传输性能表征图。

图7是周期细胞结构的光学传输损耗曲线图（插图为所测量的细胞结构的示意图）。

图8是移动大肠杆菌连接单个小球藻的细胞结构的实验过程图片。

图9是移动大肠杆菌连接两个小球藻的细胞结构的实验过程图片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

步骤S1：制作锥形光纤

使用光纤剥线钳去除商用单模光纤跳线的缓冲层和塑料外套，去除25cm的部分长度；将去除外套的光纤伸入毛细玻璃管中，将末端拉出在酒精灯外焰加热155s后，光纤开始熔化；使用11mm/s的速度将火焰上端的光纤拉断，光纤末端形成一个锥形末端，即为锥形光纤；所述光纤锥形区直径在10µm, 长度在6µm，锥形光纤末端锥角在120º，这使得捕获效率和操控灵敏度更高；所述光纤跳线芯径为9μm，包层为125μm；毛细玻璃管的长度为120 mm，内径为0.9mm，管壁厚0.1mm。

步骤S2：配备混合悬浮液

将大肠杆菌置于LB培养基中于37℃培养12h，然后用磷酸盐酸缓冲液进行清洗与稀释，直到浓度为3.0×10⁶个/mL；小球藻细胞通过去离子水稀释至1.0×15⁶个/mL；然后将大肠杆菌细胞和小球藻细胞混合，二者悬浮液的体积比为1:2；随后将混合悬浮液滴加到玻璃片上，并将玻璃片放于显微镜的二维移位平台上备用。

步骤S3：安装锥形光纤

将两根锥形光纤分别放置于实验装置的毛细玻璃管内，两根锥形光纤的末端均浸没在细胞悬浮液中；

所述实验装置，包括光耦合器、两个毛细玻璃管、两个调节架、平移台、光功率计、CCD显微镜、电脑；所述两个毛细玻璃管分别固定在两个调节架上，两个玻璃管的中心线共线，两个调节架的调节精度均为50nm；两个毛细玻璃管之间是平移台，平移台上可放置装有悬浮液的玻璃片，毛细玻璃管内放置光纤，左侧毛细玻璃管内的光纤连接至光耦合器，右侧毛细玻璃管内的光纤连接在光功率计上，平移台的上方是一CCD显微镜，CCD显微镜可连接至电脑；980nm的激光和644nm的红光，通过一个2×1光耦合器接至光纤。

步骤S4：周期细胞结构组装与光传输性能探测

往锥形光纤中通入980nm的激光，激光在锥形光纤末端聚焦，进一步对附近的大肠杆菌细胞产生光梯度力实现光力捕获，捕获细胞后，激光可以进一步在细胞中传输，捕获大肠杆菌；通过移动锥形光纤，将捕获的大肠杆菌细胞移动到小球藻细胞附近，激光在大肠杆菌末端出射后产生的光力将小球藻捕获，从而将小球藻与大肠杆菌连接在一起；类似的，可以捕获更多的细胞，从而组装结构可控的周期细胞结构；传输的980nm的激光通过右侧锥形光纤耦合到光功率计中，可以进行实时的光传输探测；980nm的激光可以使组装的周期细胞结构在液体中稳定存在，将644nm的红光耦合进锥形光纤中，可以看到红色激光在光波导中传输，所用的980nm激光的功率为57mW，如图4所示为组装的大肠杆菌连接单个小球藻细胞的周期结构，图8为操控大肠杆菌连接单个小球藻的细胞结构移动的图片；如图5所示为大肠杆菌细胞连接了两个小球藻细胞，图9为操控大肠杆菌连接两个小球藻细胞的细胞结构移动的图片。

实施例2

步骤S1：制作锥形光纤

使用光纤剥线钳去除商用单模光纤跳线的缓冲层和塑料外套，去除35cm的部分长度；将去除外套的光纤伸入毛细玻璃管中，将末端拉出在酒精灯外焰加热157s后，光纤开始熔化；使用16mm/s的速度将火焰上端的光纤拉断，光纤末端形成一个锥形末端，即为锥形光纤；所述光纤锥形区直径在6µm, 长度在30µm，锥形光纤末端锥角在97º，这使得捕获效率和操控灵敏度更高；所述光纤跳线芯径为9μm，包层为125μm；毛细玻璃管的长度为120mm，内径为0.9mm，管壁厚0.1mm。

步骤S2：配备混合悬浮液

将大肠杆菌置于LB培养基中于37℃培养12h，然后用磷酸盐酸缓冲液进行清洗与稀释，直到浓度为3.0×10⁶个/mL；小球藻细胞通过去离子水稀释至1.0×15⁶个/mL；然后将大肠杆菌细胞和小球藻细胞混合，二者悬浮液的体积比为1:2；随后将混合悬浮液滴加到玻璃片上，并将玻璃片放于显微镜的二维移位平台上备用。

步骤S3：安装锥形光纤

将两根锥形光纤分别放置于实验装置的毛细玻璃管内，两根锥形光纤的末端均浸没在细胞悬浮液中；

所述实验装置，包括光耦合器、两个毛细玻璃管、两个调节架、平移台、光功率计、CCD显微镜、电脑；所述两个毛细玻璃管分别固定在两个调节架上，两个玻璃管的中心线共线，两个调节架的调节精度均为50nm；两个毛细玻璃管之间是平移台，平移台上可放置装有悬浮液的玻璃片，毛细玻璃管内放置光纤，左侧毛细玻璃管内的光纤连接至光耦合器，右侧毛细玻璃管内的光纤连接在光功率计上，平移台的上方是一CCD显微镜，CCD显微镜可连接至电脑；808nm的激光和473nm的蓝光，通过一个2×1光耦合器接至光纤。

步骤S4：周期细胞结构组装与光传输性能探测

往锥形光纤中通入808nm的激光，激光在锥形光纤末端聚焦，进一步对附近的大肠杆菌细胞产生光梯度力实现光力捕获，捕获细胞后，激光可以进一步在细胞中传输，捕获大肠杆菌；通过移动锥形光纤，将捕获的大肠杆菌细胞移动到小球藻细胞附近，激光在大肠杆菌末端出射后产生的光力将小球藻捕获，从而将小球藻与大肠杆菌连接在一起；类似的，可以捕获更多的细胞，从而组装结构可控的周期细胞结构；传输的808nm的激光通过右侧锥形光纤耦合到光功率计中，可以进行实时的光传输探测；808nm的激光可以使组装的周期细胞结构在液体中稳定存在，将473nm的蓝光耦合进锥形光纤中，可以看到蓝色激光在光波导中传输，所用的808nm激光的功率为50mW。

实施例3

步骤S1：制作锥形光纤

使用光纤剥线钳去除商用单模光纤跳线的缓冲层和塑料外套，去除45cm的部分长度；将去除外套的光纤伸入毛细玻璃管中，将末端拉出在酒精灯外焰加热160s后，光纤开始熔化；使用20mm/s的速度将火焰上端的光纤拉断，光纤末端形成一个锥形末端，即为锥形光纤；所述光纤锥形区直径在2µm, 长度在50µm，锥形光纤末端锥角在70º，这使得捕获效率和操控灵敏度更高；所述光纤跳线芯径为9μm，包层为125μm；毛细玻璃管的长度为120 mm，内径为0.9mm，管壁厚0.1mm。

步骤S2：配备混合悬浮液

将大肠杆菌置于LB培养基中于37℃培养12h，然后用磷酸盐酸缓冲液进行清洗与稀释，直到浓度为3.0×10⁶个/mL；小球藻细胞通过去离子水稀释至1.0×15⁶个/mL；然后将大肠杆菌细胞和小球藻细胞混合，二者悬浮液的体积比为1:2；随后将混合悬浮液滴加到玻璃片上，并将玻璃片放于显微镜的二维移位平台上备用。

步骤S3：安装锥形光纤

将两根锥形光纤分别放置于实验装置的毛细玻璃管内，两根锥形光纤的末端均浸没在细胞悬浮液中；

所述实验装置，包括光耦合器、两个毛细玻璃管、两个调节架、平移台、光功率计、CCD显微镜、电脑；所述两个毛细玻璃管分别固定在两个调节架上，两个玻璃管的中心线共线，两个调节架的调节精度均为50nm；两个毛细玻璃管之间是平移台，平移台上可放置装有悬浮液的玻璃片，毛细玻璃管内放置光纤，左侧毛细玻璃管内的光纤连接至光耦合器，右侧毛细玻璃管内的光纤连接在光功率计上，平移台的上方是一CCD显微镜，CCD显微镜可连接至电脑；1064nm的激光和532nm的绿光，通过一个2×1光耦合器接至光纤。

步骤S4：周期细胞结构组装与光传输性能探测

往锥形光纤中通入1064nm的激光，激光在锥形光纤末端聚焦，进一步对附近的大肠杆菌细胞产生光梯度力实现光力捕获，捕获细胞后，激光可以进一步在细胞中传输，捕获大肠杆菌；通过移动锥形光纤，将捕获的大肠杆菌细胞移动到小球藻细胞附近，激光在大肠杆菌末端出射后产生的光力将小球藻捕获，从而将小球藻与大肠杆菌连接在一起；类似的，可以捕获更多的细胞，从而组装结构可控的周期细胞结构；传输的1064nm的激光通过右侧锥形光纤耦合到光功率计中，可以进行实时的光传输探测；1064nm的激光可以使组装的周期细胞结构在液体中稳定存在，将532nm的绿光耦合进锥形光纤中，可以看到绿色激光在光波导中传输，所用的1064nm激光的功率为57mW。

光力组装周期细胞结构直接由光力控制，不需要复杂的微加工结构，且组装的细胞结构直接通过移动光纤来实现，具有单细胞精度可控性。

利用光力组装周期细胞结构，可以适用于不同的细胞，例如杆状的细菌、圆形的真菌以及哺乳动物细胞。而组装的细胞结构也具有多样性，通过移动锥形光纤可以实现。

按照上述方法，我们组装了不同结构的周期细胞结构，以大肠杆菌和小球藻为例，我们组装了大肠杆菌连接单个小球藻细胞的周期细胞结构，如图4所示为组装的大肠杆菌连接单个小球藻细胞的周期结构。所用的980nm激光的功率为57mW。图4I-VI为组装的不同周期与长度的细胞结构，其长度L依次为40.9、63.1、81.8、98.8、71.3、86.5µm，平均长度周期D依次为11.5、17.2、22.2、30.4、35.1、42.1µm。除了大肠杆菌连接单个小球藻细胞的周期细胞结构，我们还实现了大肠杆菌连接多个小球藻的细胞结构组装。如图5所示为给出的一个例子，示例中大肠杆菌细胞连接了两个小球藻细胞，组装的细胞结构周期为15.8µm，长度为58.1µm。此外，我们还可以组装其他结构的细胞微结构，图6给出了一种小球藻距离呈等差数列的结构，间隔依次为35.7、26.9、18.1µm，总长度为86.5µm。

激光可以在组装周期细胞结构中传输，通过连接在右侧光纤的光功率计，我们测量了激光传输损耗。图7给出了大肠杆菌连个单个小球藻的周期细胞结构对980nm激光的传输损耗数据曲线。从曲线中可以看出，随着相邻小球藻距离的增加，传输损耗减小，这是因为相邻小球藻距离越小，小球藻越密集，对光的散射越大，所以损耗越大。

通过移动锥形光纤，我们组装的周期细胞结构可以进行灵活的移动，这与传统方法不同，传统方法组装的细胞是固定的，而我们组装的细胞结构可以进行操控。用于组装细胞的功率为57mW。图8为操控大肠杆菌连接单个小球藻的细胞结构的图片，相邻小球藻距离为12.3µm，长度为43.3µm。 I-IV分别沿着x方向移动了0、4.7、13.1、39.8µm。图9为操控大肠杆菌连接两个小球藻细胞的细胞结构的图片，小球藻组相邻间隔为16.3µm，细胞结构长度为54.4µm。I-IV沿着x方向移动的距离分别为0、24.1、46.2、76.8µm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。