取向也 是可行的。這些已經(jīng)被考慮并進行分析，參見例如圖20A和20B。
[0137] 在各個實施方案中，探針頭可能是應用至細胞的其他類型的測量或刺激。例如，還 可以在探針與細胞接觸時測量細胞阻抗。細胞阻抗已經(jīng)用于分類細胞類型，提供了額外的 檢測功能（Chen等人（2011)LabonaChip, 11:3174-3181)。在本文描述的MaPS裝置的 某些實施方案中，移動體是接地的，并且由摻雜（電導性）的硅制成。然而，存在選擇性摻 雜硅以產(chǎn)生沿著某些路徑的電阻抗的石印方法。本文描述的生產(chǎn)方案可以加入選擇性摻雜 未摻雜的硅晶片，以指導電信號并允許細胞阻抗的探測。而且，可以向硅表面添加金屬層以 指導電信號。幾乎相同地，除了使用更高的電壓差，個體細胞可以被電穿孔以增加細胞的電 導性和穿透性。MaPS提供了比目前技術更有效的電穿孔選定個體細胞的方法（Khine等人 (2005)LabonaChip, 5:38-43)。
[0138] 主要驅動信號的~400Hz和運載頻率的0. 5MHz的所述頻率反映了有效的起始值。 要理解，這些可以變化。裝置的頻率模擬預測，200Hz至700Hz范圍內的主要驅動信號是可 行的，并且對于運載頻率超過l〇4Hz的頻率會允許水介質中的致動，并且不影響機械組件的 移動，參見圖24和表1中的頻率分析。
[0139] 表1.設計組和模擬的輸出值。
[0140]
[0141]
[0142] 此外，上述驅動頻率例如~400Hz的描述假定了正弦信號形狀?？紤]其他驅動信 號形狀。例如，因為吸引力是非線性的，通過具有非規(guī)則但是周期的信號形狀，使用相反動 力學，補償該非線性行為可能是有利的。已經(jīng)為開發(fā)適當驅動信號形狀的目的而確定了位 置依賴性力的FEA測量。在某些實施方案中，可以相對于僅單個正弦驅動信號而使用雙模 式探測波形（形狀）。這可用于探測交替循環(huán)的交替深度。這將是復合正弦，其中400Hz驅 動信號將探測一個循環(huán)的一個深度以及下一個循環(huán)的另一個深度，然后重復。同時，在某些 實施方案中，去離子水用作低離子含量流體來浸沒驅動電子儀器。在某些實施方案中，非水 性選項是可用的。此類選項包括但不限于油和溶劑。
[0143] 前述變體預期是示例性而非限制性的。使用本文提供的教導，許多其他構型、材料 和操作方式是本領域技術人員無需過度實驗而可獲得的。
[0144] 其他示例性用涂
[0145]MaPS具有成為多用途工具的潛力，在機械表型化中起改革作用。MaPS可以前所未 有的通量和效率進行機械表型的定量、高通量評估。認為MaPS將打開開發(fā)用于從藥物和 天然化合物文庫以及微RNA組合篩選治療的機械表型化的新道路。因為人類卵巢癌細胞 的侵染力程度在細胞機械表型變化中顯現(xiàn)（Swaminathan等人（2012)CancerRes. 71(15): 5075-5080)，MaPS應該具有基于細胞的轉移效率而篩選的潛力。而且，MaPS具有揭示大群 體內個體細胞機械性質中的異質性以及可能的功能暗示的潛力（Calbo等人（2011)Cancer Cell，19 :244-256)。隨著流式細胞計量術和FACS的到來而出現(xiàn)類似轉化，其大量個體細胞 的評價以及群體內的易變性。此類研究會提供對癌癥細胞群體內異質性的遺傳和后天來源 的觀察，包括藥物抗性以及預后分層。而且，MaPS是良好平衡的，配有基于機械表型而分選 細胞的能力，由此實現(xiàn)對例如表現(xiàn)出藥物抗性的細胞亞群的實驗；此類高通量功能性在目 前的機械表型化技術中是不可實現(xiàn)的。
[0146] 前述用途和實施方案是示例性而非限制性的。例如，雖然上述一個應用是細胞力 學的表型化和基于該標準的分選，但是其他應用包括但不限于微粒表征和分選、微生物或 植物細胞表征、流體粘度測量等。在各個實施方案中，表征可以基于機械、電子、物理性質 等。
[0147] 其他示例性但非限制性的應用包括以下：例如。MAPs可用于評價輻射暴露。白 血細胞的機械性質在暴露于T照射后改變（參見例如，Selim等人（2009)Romanian J.Biophys.，19 :171-185)。使用MaPs檢測血細胞的機械性質可以提供檢測暴露幅度 和時間的無標記方法。類似地，紅血細胞的機械性質變化隨糖尿病而發(fā)生（參見例如， Goldstein等人（2004)GraefesArch.Clin.Exp.Ophthalmol. 242:937-943;Cho等人 (2008) J.DiabetesSci.Technol.，2 :1130_1138;Mantskava等人（2006)Clin.Hemorheol. Microcirc. 35 :307-310;Singh和Shin(2009)IndianJ.Exp.Biol. 47 :7-15)。認為MaPS 可以因此用作篩選糖尿病的篩選工具。MaPS也提供了檢測和分離干細胞的手段。高質 量干細胞是治療應用所必需的。多能干細胞可以通過其機械性質而與分化的細胞相區(qū)分 (參見例如，Gossett等人（2012)Proc.Natl.Acad.Sci.USA, 109 :7630-7635;Engler等 人（2006)Cell, 126:677-689;Pajerowski等人（2007)Proc.Natl.Acad.Sci.USA, 104: 15619-15624)，并且MaPS可用于檢測這些差異。
[0148] 紅血細胞的機械性質變化在惡性瘧原蟲感染后發(fā)生（參見例如，Marinkovic等人 (2009)Am.J.Physiol.CellPhysiol. 296 :C59-64)。MaPS因此可用于篩選瘧疾，具有鑒別 早期感染的潛力。
[0149] 紅血細胞減少的變形性隨著鐮狀細胞病而發(fā)生（參見例如，Higgins等人（2007) Proc.Natl.Acad.Sci.USA, 104 :20496-20500)。使用MaPS機械分型可以提供對篩選基因 療法方法的讀出，其可以抑制細胞脫氧之后的硬化。
[0150] 還認為MaPS可用于提供臨床環(huán)境下的實時癌癥診斷。例如，個體細胞的機 械順從性可用于測定卵巢癌細胞的入侵潛力（參見例如，Xu等人（2012)PL〇SOne，7 : e46609, 2012;Swaminathan等人（2012)CancerRes. 71 :5075_5080)。而且，卵巢癌的 藥物抗性變體與藥物敏感變體的機械性質存在不同差異（Lam等人（2007)Bl〇〇d，109 : 3505-3508)。有區(qū)別的藥物抗性癌癥亞型通常由分子（蛋白、基因表達）分析來實現(xiàn)。然 而，在許多案例中，患者接受他們不響應的化療治療；對于患者和醫(yī)護系統(tǒng)而言，造成的成 本高。MaPS可用于鑒別此類藥物抗性癌癥亞型，并相應地調整治療方案。
[0151] 通過其實時機械分型能力，MaPS可用于評價臨床環(huán)境下的人類活檢的組成。手術 過程中的主要挑戰(zhàn)是不確定腫瘤已經(jīng)徹底清除以及邊緣細胞不是惡性的。原子力顯微術揭 示了跨人類乳腺活檢樣品的不同的機械簽名，內部癌癥細胞比外周細胞更軟（參見例如， Plodinec等人（2012)Nat.Nanotechnol. 7 :757-765)。MaPS可以實現(xiàn)離散成單細胞懸液的 活檢樣品的實時分析，用于指導手術決定。目前方法通常依賴于細胞的組織學、增殖或生化 分析。
[0152] 在某些實施方案中，本文描述的MaPS系統(tǒng)可用于癌癥治療和藥物篩選。癌癥細 胞用藥物治療之后機械性質的改變表明機械分型指導治療決定的潛力。例如，白血病細胞 顯示用化療劑治療之后過渡時間的10倍增加？（參見例如，Lam等人（2007)Blood, 109 : 3505-3508)。最近結果還以顯示微RNA治療過表達之后改變的細胞變形性的證據(jù)。如通過 互補測定證明的，這些結果與減少的細胞增殖相關。MaPS具有提供實時機械分型的潛力，其 可以提供臨床環(huán)境下對治療決定的互補指導。
[0153] 在某些實施方案中，認為本文描述的MaPS系統(tǒng)可用于評價阿爾茨海默病。淀 粉樣蛋白前體蛋白（APP)是0淀粉樣蛋白的前體，0淀粉樣蛋白是其聚集導致淀粉樣 蛋白斑形成的肽，常見于阿爾茨海默病患者的腦中。如通過原子力顯微術測定的，用淀粉 樣蛋白-0 42(AP42)蛋白寡聚體治療的神經(jīng)元細胞顯示了顯著的細胞硬化（參見例如， Lulevich等人（2010)Proc.Natl.Acad.Sci.USA, 107 :13872-13877)。目前沒有針對阿爾茨 海默病有效治療的良好篩選。篩選細胞的高通量方法可用于鑒別防止0淀粉樣蛋白聚集 或者甚至導致0淀粉樣蛋白形成的APP裂解的化合物。
[0154] 本文描述的MaPS系統(tǒng)可用于設計和制定藥物遞送系統(tǒng)和生產(chǎn)此類系統(tǒng)過程中的 質量控制。水凝膠微膠囊已經(jīng)廣泛用于藥物治療劑的控制遞送。水凝膠中的溶質擴散取決 于水凝膠溶脹程度，其是聚合物組成和網(wǎng)絡交聯(lián)密度/篩尺寸的函數(shù)。例如，較硬的殼聚糖 包衣的微膠囊顯示了較低的藥物釋放速率（參見例如，Veiga等人（2011)J.Appl.Polymer. Sci.，123 (2) :842-849)。因此，使用MaPS對水凝膠膠囊的機械表征可用于指導藥物遞送系 統(tǒng)的設計和制定，以及監(jiān)測其制造過程中的質量。
[0155] 除了涉及測量細胞硬度/變形性的應用，本文描述的MaPs裝置還可用于直接操縱 單細胞。在某些實施方案中，力探針（例如，梳）可用于迀移目標，例如固體顆?；蛞后w。例 如，探針的良好控制的空間振蕩可用于迀移流體，從而分選細胞。當探針剛好置于流體通路 結合處（例如，微流體通道中的Y結合處）上游時，流動下的流體、固體顆?；蚣毎拇怪?位移可以將目標/流體/細胞迀移進入單獨通道。當響應于給定輸入條件而激活時，這種 構型可用于主動分選顆?；蚣毎?br>[0156]MaPS裝置還可用于單細胞電穿孔。在某些實施方案中，可以設計制造方案，使得電 線路選擇性摻雜在硅MEMS振蕩器內。這使得MaPS能夠機械探測細胞，并施加電場以選擇 性電穿孔細胞。由于模擬信號通路在MEMS裝置中是快速的，可以選擇性應用電場，使得僅 一些細胞被電穿孔，而其他細胞沒有。這允許生物學家人工異質化細胞群。
[0157] 在各個實施方案中，本文描述的MaPS裝置可用于細胞捕獲。在某些實施方案中， MaPS可以轉變成低通量裝置，并且振蕩器和傳感器可用作可以輕易捕獲和釋放細胞的細胞 捕獲裝置。在捕獲期間，細胞可以短暫暴露于刺激?？梢韵蜉^大的MaPS構造增加試劑管線， 以向捕獲細胞遞送計量劑量的試劑。這允許給予群體中的個體細胞計量的劑量。因此，在 某些實施方案中，MaPS可用于分級具有不同試劑劑量的細胞群。其他捕獲實施方案可以包 括擴展的機械測試以探索細胞群的蠕變和疲勞性質。
[0158] 前述用途預期是示例性而非限制性的。因此，使用本文提供的教導，本領域技術人 員可獲得許多其他MaPS構型和用途。 實施例
[0159] 提供以下實施例以示例說明而非限制要求保護的發(fā)明。
[0160]實施例
[0161]示例件實施方案
[0162] 為了加快MaPS開發(fā)，開始設計了一組六個MEMS構造，并命名為A1至A6 (參見例 如，圖17、18和19)。設計該組以跨預期細胞彈性模量的范圍，并以略微差異的動態(tài)范圍和 傳感器靈敏度來操作。為了表征這些MEMS裝置設計的靜態(tài)、動態(tài)和電方面，進行了有限的 元件分析（FEA)計算機模擬。這些結果提供了對每個裝置設計的動態(tài)范圍和靈敏度的進一 步洞察，并且還闡釋了可能的合并（參見例如，圖21、22和23)。例如，確定了重力不會使力 探針偏移平面超過50nm(圖21)，并且結構共振不會以希望的操作頻率激發(fā)（圖22)。除了 這些模擬，制定了所有六個設計的制造工序（參見圖25和26中的工序選項）。
[0163]實施例2
[0164] 件能評價
[0165]MEMS有限的元件分析
[0166] 已經(jīng)使用預測MEMS性質的有限的元件分析（FEA)模型模擬了各個MEMS組件功 能。FEA計算非常適合MEMS靜態(tài)和動態(tài)性質的第一原理計算，給出了對未來成功操作的信 任。通過FEA，振蕩器和傳感器的一個實施方案的彈簧常數(shù)分別是0.993Nm1和0. 205Nm\ 而通過第一原理分析的值是INm1和0.2Nmi。動態(tài)FEA證明第一共振方式對于振蕩器是 2641Hz(參見例如，圖27)。第一原理分析預測了 1887Hz(DV1)，其顯著不同于FEA分析，然 而，兩個共振頻率都明顯高于預期的500Hz的操作頻率，因此認為共振不是問題。設計版本 2是具有5970Hz(通過第一原理分析）第一共振方式的設計，其甚至進一步遠離操作頻率。
[0167] 靜電力FEA模擬非常適合振蕩器驅動梳陣列的靜電力的第一原理計算（圖28,設 計變化1)。靜電力、跨梳元件的電勢和振蕩器偏離之間的關系由非線性函數(shù)描述。特別重 要的是確定靜電力中非線性克服彈簧線性力特征的偏離；超過該偏離點，振蕩器"拉入"并 不釋放，直至去除電勢（Sun等人（2002)SensorsandActuatorsA, 102:49-60)。考慮模 型中的強一致，可能預測并因此預防"拉入"。
[0168]MEMS振蕩器頻率響應
[0169] 通過施加方程1. 1中針對頻率f= 2JT?和恒定運載頻率之=2JT?。= 500kHz的范圍給出的電壓信號而致動MEMS振蕩器側?；绢l率是f= 2JI? = [1，1. 41，2, ...，4096]。為了最好地模仿微流體環(huán)境，首先在甲醇（甲醇具有小于水的一半 的表面張力）中潤濕MEMS裝置，然后用去離子水沖洗，使得裝置完全浸沒于完全的去離子 水。圖31說明了當系統(tǒng)以128Hz的基本頻率驅動時振蕩器的一個循環(huán)，如通過安裝于倒 置顯微鏡孔的高速照相機（PhantomMiroEXl,VisionResearch,Wayne,NJ)捕獲的。
[0170] 使用定制的圖像相關程序從頻率實驗的高速圖像提取振蕩器位置的時間痕跡。該 程序提供了像素作為時間函數(shù)的振蕩器位置。根據(jù)該時間信號，應用基本信號處理工具一 即快速傅里葉轉換一以將移動分解成響應的頻率分量（圖30B)。每個測試的基本頻率的頻 率分量的幅度繪制為基本頻率的函數(shù)（圖30A)。通過A2標準化幅度，因為驅動靜電力與A2 成比例。振蕩器頻率響應是過度阻尼的二級系統(tǒng)的典型。數(shù)據(jù)良好對應于質量-彈簧-阻 尼器系統(tǒng)的第一原理模型，具有以下參數(shù)：質量=4. 75x109kg;阻尼系數(shù)=0. 8x103Nsec m1;并且彈簧常數(shù)=0.8Nmi。根據(jù)系統(tǒng)理論原理，振蕩器無相位延遲地"完美"響應于低 于100Hz的輸入信號，然后響應幅度降低，并且對于高于100Hz的驅動頻率相位延遲。通過 增加驅動正弦強度至2A= 5. 625V，我們能夠實現(xiàn)最多512Hz的基本頻率的完全位移振蕩。
[0171] 細朐介質通道中的細朐集中
[0172] 理想地，進入MaPS的探針接口位置的細胞流將在通道寬度內集中，并且沿著通道 長度均勻間隔。但是注意，細胞介質通道剛好在探針接口一貫地遞送細胞至探針位置之 前收縮；盡管不清楚是否必須進行"后端"集中。已經(jīng)實驗測試了許多不同的"后端"細胞 集中通道。如圖8B所描述的，多個旁路通道設計有效迫使細胞朝向通道寬度的中心。進 入旁路陣列的細胞沿通道寬度具有相當均一的其位置分布（圖31A)。在3000ym從入口 穿至出口的過程中，分布尖銳，并且細胞沿著寬度有效集中（圖31A)。集中性能隨流速增 加，并且預期在測試的最高流速_9yL/小時附近操作。通過在具有高速照相機（Phantom MiroEXl，VisionResearch，Wayne，NJ)的倒置顯微鏡上操作的流動測試來獲取數(shù)據(jù)，所述 照相機記錄了旁路陣列入口和出口處沿通道寬度的細胞位置。另一個考慮是穿過細胞的速 度。對于給定的振蕩器頻率，振蕩器接觸細胞的次數(shù)和細胞速度之間存在反相關。我們已 經(jīng)使用相同的倒置顯微鏡/照相機設置測量了穿過細胞的速度。在500Hz振蕩器頻率和 9yL/小時的介質流速下，我們預測所有細胞將被振蕩器探測至少一次，并且平均細胞漿被 振蕩器探測1. 5 - 2次（圖31B)。
[0173]設計版本2的MEMS組件設計
[0174]圖8說明了具有在大規(guī)模上與電系統(tǒng)對接的大接觸