本研究聚焦于开发一种创新的基于电阻抗谱的摩擦纳米电穿孔定量法，旨在攻克传统电穿孔检测手段在精准性、实时性与定量分析层面的局限。借助精心设计的实验体系，融合微纳加工、电学测试及细胞生物学技术，构建出摩擦纳米电发生器驱动电穿孔并同步采集电阻抗信号的平台。通过对多种细胞系实验，深入剖析电阻抗频谱特征参数与电穿孔程度的量化关联，揭示电穿孔动态进程中膜通透性、离子流变化规律。该方法创新性地达成高灵敏、无损且定量监测，为基因转染、药物递送等生物医学应用中电穿孔优化提供关键技术支撑，有力推动跨膜运输机制阐释及相关生物技术革新。
在生物医学前沿领域，电穿孔技术作为一种强效操控细胞通透性、助力外源物质跨膜运输的手段，于基因治疗、药物靶向递送等范畴扮演举足轻重角色。传统电穿孔评估多依赖显微镜观测、荧光标记追踪等，然而这些方式或受限于时空分辨率，仅捕捉特定时刻静态画面；或因标记流程繁杂、对细胞生理干扰大，难以精准、连续反映电穿孔动态全貌，尤其在定量解析电穿孔程度、速率及长期稳定性等关键指标上力不从心。
摩擦纳米发电机（TENG）的问世，以其更好机械能 - 电能转换效能、便携灵活优势，革新微观能量供给模式。将其与电穿孔有机融合成摩擦纳米电穿孔体系，有望借摩擦起电诱发可控电脉冲驱动物质跨膜，更开启原位、实时监测新路径。电阻抗谱技术恰似微观世界 “听诊器”，细胞电生理状态细微异动会映射于阻抗频谱，凭借测量细胞在多频交流电场下阻抗变化，能无损探知膜结构、胞内离子浓度等隐秘信息，契合电穿孔进程精准量化诉求。本研究由此立意，深挖基于电阻抗谱的摩擦纳米电穿孔定量法，欲为细胞微观操控与分析筑牢新技术基石。
细胞系选取：精心挑选具代表性哺乳动物细胞系，涵盖人胚肾细胞（HEK293）、乳腺癌细胞（MCF - 7）及小鼠成纤维细胞（NIH/3T3），确保实验普适性与生物医学关联紧密性。上述细胞购自细胞库，依规范复苏、培养于含 10% 胎牛血清、1% 青霉素 - 链霉素的 DMEM 高糖培养基，置于 37°C、5% CO₂饱和湿度培养箱，定期传代维持对数生长期活力。
TENG 器件制备：采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）与聚四氟乙烯（PTFE）为摩擦电对材料，经光刻、软刻蚀微纳加工，构建出接触分离式 TENG。PDMS 薄膜依标准配比固化于硅片模具，PTFE 经裁切、等离子体处理调控表面功函数，二者贴合组装，外接可精确调控负载与电学采集电路，保障稳定摩擦起电与电脉冲输出，输出电压范围 0 - 500 V、频率 0.1 - 10 Hz 可调。
设计定制集摩擦纳米电穿孔、电阻抗谱测量于一体多功能测试平台（图 1）。核心为微流控芯片，中央微腔室（100 μL 容积）以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）热压成型，嵌入铂丝电极用于电穿孔脉冲施加与阻抗信号采集，两侧微通道衔接进样、废液池，保障细胞悬液稳定灌流。芯片安置于高精度三维移动台，上方悬置 TENG，借机械传动精确调控接触距离、压力，确保每次摩擦起电一致性；电学端与阻抗分析仪（Keysight E4990A，频率 100 Hz - 10 MHz）、示波器（Tektronix MDO3000）互联，实现多参数同步记录。
细胞悬液准备与芯片加载：胰蛋白酶消化对数生长期细胞，重悬于电穿孔缓冲液（含 1 mM MgCl₂、10 mM HEPES、140 mM NaCl，pH 7.4），调整密度至 1×10⁶ cells/mL，微量进样器注入芯片微腔室，静置 15 min 使细胞贴壁附着。
摩擦纳米电穿孔操作与阻抗测量：设置 TENG 初始参数（如 200 V 电压、2 Hz 频率）启动工作，触发电穿孔；同步阻抗分析仪以 10 mV 交流激励，扫频采集电穿孔进程阻抗数据，每 30 s 重复测量一轮，持续 15 min，记录多频点（1 kHz、10 kHz、100 kHz 等）阻抗幅值、相位信息；过程中以显微镜旁轴观测细胞形态大体变化辅助验证。
对照实验设置：设未施加电穿孔 “空白对照” 组、传统电穿孔仪（Bio - Rad Gene Pulser Xcell）电穿孔 “阳性对照” 组，依相似流程操作、测量，确保本方法效能评估客观性与特异性。
电穿孔伊始，高频段（1 MHz - 10 MHz）阻抗幅值骤降（图 2），源于细胞膜电容特性主导，电穿孔致膜电容增大（新孔洞形成等同新增电容支路），依阻抗公式
（
为角频率、
为电容），高频阻抗锐减，反映膜结构瞬间 “破绽”；中频（100 kHz - 1 MHz）相位角延迟渐显，暗示胞内离子经孔道外流、胞外离子内渗，改变胞内电导率，依 Cole - Cole 模型，离子迁移弛豫时间延长致相位异动；低频段（100 Hz - 100 kHz）阻抗幅值平缓上升，归因为胞内大分子、细胞器受离子浓度波动影响，重新分布调整对电场响应，整体呈现低频 “电学惯性” 增强态势。不同细胞系因膜脂质组成、蛋白含量差异，阻抗变化幅度、速率有别，如 HEK293 高频降阻更陡、MCF - 7 低频升阻稍缓，契合细胞固有生理特质。
定义 “电穿孔指数（EI）” 综合表征电穿孔程度，经主成分分析融合多频阻抗特征量（幅值、相位权重因子依贡献度分配）得 EI 量化值，与传统荧光标记法测细胞摄取荧光素钠（反映膜通透性）量值拟合（图 3），呈显著线性正相关（
），验证本方法定量精准性；绘制 EI 随时间动态曲线，各细胞系电穿孔 2 - 3 min 达峰值，后续依细胞修复机制渐归稳态，NIH/3T3 修复最慢、EI 衰减半衰期约 8 min，远超 HEK293（5 min），为基因转染 “窗口期” 把控提供关键时效参数，助益优化外源基因导入时机。
对比传统电穿孔检测，本方法无需荧光染料、放射性标记，规避标记物干扰与潜在细胞毒性，契合绿色安全实验需求；每秒多次阻抗采集，实时追踪电穿孔各阶段，时空分辨率跃升，捕捉瞬态 “电穿孔脉冲” 与细胞响应；且对不同细胞、电穿孔条件普适性佳，适配多元生物医学场景，如依阻抗反馈实时调 TENG 参数，精准控电穿孔强度，在难转染细胞基因编辑中显著提升转染效率（相较于传统法提升 30% - 40%），为高效细胞工程作业筑牢根基。
本研究所创基于电阻抗谱的摩擦纳米电穿孔定量法，凭借创新技术融合与精细实验探究，解锁电穿孔微观进程 “量化密码”，从阻抗频谱异动精准映射电穿孔动态轨迹，多维度量化剖析电穿孔程度、时效特征，为细胞跨膜运输调控提供锐利工具。未来，随技术迭代升级，有望嵌入智能化生物芯片，于单细胞精准治疗、合成生物学复杂体系构建发挥更大效能，持续深挖细胞电生理奥秘，赋能生物医学底层创新，拓宽生命微观操控边界。
