施一公團隊開發具有3D電極的芯片實驗室，證實生活中常見電磁輻射影響細胞生長

　　地球上生命的進化已經持續了超過30億年，各種物種已經發展出感官系統或受體，以利用環境中各種形式的能量。來自宇宙的和地球上產生的電磁能在自然環境中是豐富的，其頻率從1Hz以下擴展1015Hz。可以合理推斷，一些物種可能已經發展出某些對這些頻率的電磁輻射有反應的生物過程。然而，我們目前對電磁引發的生物反應的知識僅限于那些在接近可見光的狹窄頻率范圍內（1014Hz）的電磁信號所激發的生物反應。

　　環境中最常見的自然電磁場之一是由閃電產生的電磁場，其頻率以10 kHz左右為主。因此，在漫長的進化過程中，生物經常暴露于這種特定頻率的電磁輻射中，并有可能發展出相應的反應機制。

　　在動物等復雜生物系統中，系統性的變化（例如報道的由電磁信號引起的生物學變化），通常源于細胞對觸發因素的反應。在這種情況下，體外細胞實驗是研究這些變化的潛在機制的一種方便手段。

　　然而，目前市面上可用的細胞水平的實驗系統大多與電磁刺激不兼容。研究人員通過將直流電刺激或窄帶電磁信號（帶寬最多只有幾十赫茲的電磁波信號）集成到細胞培養儀器中，為基于細胞的實驗定制了設置。但在這些實驗中，電磁刺激的熱效應或細胞與刺激電極直接接觸的影響并沒有被適當排除。

　　為了更好地研究電磁刺激的非熱效應細胞反應，一個精心設計的細胞芯片實驗室系統是必不可少的，它允許在沒有電極污染或可檢測到的溫度干擾的情況下進行電磁刺激。

　　目前，可避免電極污染的細胞電磁刺激的商業化芯片實驗室系統是醫療器械公司Novocure（著名的腫瘤電場治療就是由該公司該發）開發的InovitroTM，它由用于細胞培養的陶瓷盤和固定在盤底的印刷電路板上的激發電極組成。然而，由于電極之間的距離較大（2厘米），該系統實現的場強有限。此外，由于陶瓷盤不透明，該系統對細胞顯微觀察的兼容性也受到限制。

InovitroTM

　　電磁信號引發的生物效應一般較溫和，這給生物電磁響應機制的識別帶來了困難。如果這種響應是劑量依賴性的，那么增強生物系統上的電磁場強度可以導致響應放大，并更容易識別關鍵的報告系統。但是，強電磁場在大的生物系統中的熱效應非常顯著，不利于非熱效應生物電磁響應機制的研究。相反，微系統由于具有較大的比表面積（單位質量物體具有的總表面積），在散熱方面具有優勢，可以消除強電磁場帶來的不利熱效應。

　　在這篇論文中，施一公團隊開發了一種生物相容性微尺度試驗臺，可以同時進行細胞顯微觀察和低頻電磁刺激。該試驗臺被設計為超薄玻璃基底上的3D叉指電極。使用近似模型估算了包含細胞的電磁場試驗臺強度，然后將器件批量制造并組裝到培養皿中。最后，使用完全組裝的試驗臺原型機進行了生物電磁實驗，并在孵育后通過顯微鏡觀察細胞系。

　　該研究提出了一種微細加工的低頻電磁刺激芯片實驗室（Lab-on-Chip），具有3D叉指電極，可用于顯微鏡下觀察細胞系。通過模擬，估計了不同頻率下電極之間的場強。在10 Vpp、10 kHz輸入信號的培養基中，電場強度達到4.45 Vrms/m。研究團隊使用全晶圓微細加工技術制作了原型機。

　　接下來，研究團隊將人類細胞系HEK293T在這一原型機試驗臺中培養24小時，并使用顯微鏡觀察，以檢查電極的生物相容性。結果顯示，該試驗臺適用于對細胞系進行長期顯微觀察，以研究電磁對生物結構的影響。

　　考慮到自然電磁環境的頻率范圍，研究團隊選擇了閃電的主導頻率——10 kHz，作為細胞培養時的電磁刺激頻率。該頻率同樣也包括在手機、電腦等電子設備產生的電磁輻射頻率范圍內。

　　值得一提的是，在該試驗臺上進行的24小時電磁刺激細胞培養實驗表明，10 kHz的電磁信號對細胞生長有明顯的影響。此外，研究團隊還監測了整個過程中系統溫度的穩定性，其溫度波動不超過0.2℃，該設備的電磁刺激的熱效應可以忽略不計。

　　這項研究結果表明，特定的電磁信號可能影響了細胞死亡或增殖過程，而這一現象背后的具體機制值得進一步探索。

　　總的來說，該研究設計了一種具有3D叉指電極的生物相容性試驗臺，用于研究低頻電磁刺激對細胞系的影響，并制作出了原型機。在這一試驗臺上進行24小時的細胞恒溫培養，未觀察到細胞有明顯缺陷，驗證了該原型機對細胞系的生物相容性。此外，在施加10 kHz的電磁信號的過程中，該設備保持了溫度穩定性，電磁熱效應可以忽略不計。而通過比較有和沒有電磁刺激條件下的培養細胞，發現電磁信號可以影響細胞生長，而且可以排除電磁熱效應帶來的影響。