電穿孔電極構造和方法技術

本文中提供的概念是“基于奇點的構造”電極設計和方法能以電極之間的低電勢差在離子物質中產生局部高電場。本文描述的基于奇點的構造包括：陽極電極；陰極電極；以及置于陽極電極和陰極電極之間的絕緣體。基于奇點的電極設計概念涉及其中陽極和陰極彼此相鄰、基本共面地放置且由絕緣體分開的電極。基本共面的陽極/絕緣體/陰極構造限制感興趣的體積的一個表面，并且局部地產生期望的電場，即，在陽極和陰極之間的界面附近。在理想的構造中，陽極和陰極之間的界面尺寸趨向于零，且變為奇點。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關申請參照本申請根據35U. S. C. § 119(e)要求2010年6月3日提交的美國臨時專利申請No. 61/351，235和2011年4月I日提交的美國臨時專利申請No. 61/470，975的優先權，其公開內容通過引用整體結合于此。
技術介紹
電穿孔是由于電場引起的細胞膜脂雙層的透化。盡管未完全理解導致電穿孔的物理機制，但相信電穿孔引發電場顯著增加細胞膜處的電勢差，導致形成瞬間或永久的孔。孔形成的范圍主要取決于脈沖電場的強度和持續時間，導致膜透化可逆或不可逆，作為電穿孔引發電場的強度和時間參數的函數。可逆電穿孔通常用于將諸如蛋白質、DNA和藥品之 類大分子的傳送到細胞，而不可逆電穿孔的破壞特性使其適用于巴氏殺菌或消毒。可逆電穿孔所需的典型電場強度的范圍從約100V/cm至450V/cm。在不可逆電穿孔中，所需的電場范圍可從200V/cm至高達60000V/cm。如圖I所示，典型的電穿孔設備具有粗略地彼此相對的電極(E)。在典型的電穿孔方法中，目標細胞被置于電極之間，將脈沖電壓或電流或交流電壓或電流施加在電極上以便在電極之間的體積中弓I發所需的電穿孔電場。產生的相關電穿孔電場粗略地正比于電穿孔電極之間的電勢差并且反比于電極(E)之間的距離(d)。在這種典型的電穿孔電極構造中，電極之間的距離受到待電穿孔的細胞的尺寸的數量級或待電穿孔的體積的尺寸限制。當需要高電場時，諸如不可逆電穿孔，傳統的設計原理導致需要電穿孔電極兩端的高電勢差。電極之間的大電勢差具有缺點。它們包括需要能夠產生這些大電勢差并以精確模式傳送的電源。這些設備可能制造昂貴并且浪費能源。此外，大電場所需的電勢差通常大到足以導致水電解，致使電極耗盡和氣泡形成或放電，這些都會不利地影響電穿孔過程。期望開發一種電極構造，該電極構造能夠以電極之間的低電勢差傳送高電場。
技術實現思路
本文介紹一種新的電極設計原理，該原理能以電極之間的低電勢差實現高電場。中心思想是在奇點產生高電場。因此，產生奇點的電極構造能以電極之間的低電勢差產生聞電場。本文中提供的概念是“基于奇點的構造”電極設計和方法能以電極之間的低電勢差在離子物質中產生局部高電場。本文描述的基于奇點的構造包括陽極電極；陰極電極；以及置于陽極電極和陰極電極之間的絕緣體。基于奇點的電極設計概念涉及其中陽極和陰極彼此相鄰、基本共面地放置且由絕緣體分開的電極。基本共面的陽極/絕緣體/陰極構造限制感興趣的體積的一個表面，并且局部地產生期望的電場，即，在陽極和陰極之間的界面附近。在理想的構造中，陽極和陰極之間的界面尺寸趨向于零，且變為奇點。使用基于奇點的電極構造的一種可能的方法的示例包括用于電穿孔的設備(I)提供包括一系列的共面陽極電極和陰極電極的通道，其中相鄰的陽極電極和陰極電極由絕緣體分離；(2)使電解液流過微電穿孔通道；(3)使細胞流過微電穿孔通道；以及(4)在相鄰的陽極電極和陰極電極之間施加電勢差。使用基于奇點的電極構造的其它電穿孔構造是可能的。對利用基于奇點的電極的局部高電場的其它應用也是可能的。附圖簡述包含在本文中的附圖構成本說明書的一部分。附圖與說明書一起還用于解釋所介紹的系統和方法的原理，并使本領域的技術人員能夠利用所介紹的系統和方法。在附圖中，類似的附圖標記表示相同或功能相似的元件。圖I是典型的電穿孔電極構造的示意圖。圖2A是具有由小絕緣體分離的相鄰電極的微電穿孔構造的電場流線的示意圖。圖2B是根據本文介紹的一個實施例的電極構造的示意圖。 圖3是根據本文介紹的一個實施例的電極構造的制備的示意圖。圖4 (a)是微電穿孔通道構造的示意圖。圖4 (b)示出在不存在細胞的情況下的模型域。圖4 (C)示出在存在細胞的情況下的模型域。圖5示出在微電穿孔通道中生成的徑向改變的電場。圖6示出在具有較小高度的微電穿孔通道中存在多大的電場量值。圖7示出對于小A值，大的無量綱電場輪廓更加聚焦，并且跨越微電穿孔通道的整個高度。圖8示出在存在細胞的情況下，無量綱電場輪廓如何因絕緣細胞膜而被壓縮。圖9示出當細胞半徑增加時，細胞如何經歷指數增大的無量綱電場量值。附圖說明圖10示出模型域中的溫度分布。圖11示出在模型域中流動電解液速率箭頭。圖12示出對于電極之間O. IV電勢流過O. 6 μ m高微電穿孔通道的腸毒素大腸桿菌(ETEC，一種類型的大腸桿菌)細胞。圖13示出對于電極之間O. IV電勢流過4. 2 μ m高微電穿孔通道的酵母細胞。圖14示出對于減少的無量綱絕緣體長度，作為距絕緣長度的中心線的表面的高度(Y)的函數的電場。圖15示出在大腸桿菌流過通道中的100納米絕緣體時在大腸桿菌上形成的電場。圖16示出在酵母細胞流過通道中的100納米絕緣體時在酵母細胞上形成的電場。圖17是示出二次電流分布模型參數的表。圖18示出對于各相對絕緣體厚度(I)和域縱橫比(A)在X=O. 5, Y=I處無量綱電場(NDE)的量值。圖19示出在二次電流分布模型中沿絕緣體正上方的中心線的電場量值。圖20示出對奇點引發的微電穿孔構造的功率輸入如何取決于施加的電壓和水電導率。圖21示出直流電穿孔設備。圖22示出二次電流分布模型域的示意圖。圖23示出沿y中心線的電場量值。圖24示出作為負載電壓的函數的功率密度。具體實施例方式本文介紹的是基于奇點的電極構造，其能夠在電解液中產生局部高強度電場。在本專利技術的背景下，奇點是其中在感興趣的域中或周圍且與該感興趣的域接觸的電勢分布中存在不連續性的點。在設計極限下，這種不連續性具有零幾何尺寸。圖I與圖2A、2B之間的比較分別示出先前的電極設計概念(圖I)和當前的概念(圖2A和2B)之間的差別。圖I示出設計成在電解液的體積中產生電場的典型構造。在典型的構造中，感興趣的體積被限制在電極之間。電場與電極之間的電壓差成正比，并且與電極之間的距離成反比。有可能通過減小電極之間的距離和/或通過增加電極之間的電勢差來增加感興趣的體積中的電場。原則上，在極限條件下，當電極之間的距離接近零時，可由電極之間的有限電勢差產生無限電場。然而，由于感興趣的體積在電極之間，所以電極之間的距離為零的構造沒有效用。在圖2A和2B中示出的新的設計概念建議兩個電極基本上置于同一平面，限定感興趣的電解液體積的表面。陽極和陰極通過絕緣間隙分離。在該構造中，在電解液與陽極/絕緣體/陰極之間的界面處的局部電場也是絕緣體的尺寸及陽極與陰極之間的電勢差的 函數。然而，在該構造中，感興趣的體積限制在電極的外表面上，而不是限制在電極之間。因此，在理想的構造中當絕緣體尺寸極限接近零時，電極之間的界面變為奇點，并且在電解液中，電極之間的無窮小的最后電勢差將在奇點處產生無限高的電場。這種構造因此有助于利用小的電勢差在感興趣的體積中生成非常高的電場。圖2A通過示出從兩電極之間的奇點起源的恒定電場線說明這種設計的效用。圖2A示出受基于奇點的電極影響的體積是真實且可預測的，因此該電極設計可用于以感興趣的體積中的低電勢差產生高電場。微米和納米技術的進步可用于產生基于奇點的構造。圖3示出這種設計。該設計基于電絕緣表面，諸如玻璃。諸如金或鉬之類的導體通過氣相沉積而沉積在玻璃表面上。所沉積的層的厚度的范圍從幾納米至數微米。在所沉積的金屬中生成至玻璃表面的切口產生電極之本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：B·魯賓斯基，G·D·特羅斯扎克，
申請(專利權)人：加利福尼亞大學董事會，
類型：
國別省市：