Abstract: Electromanipulation of ellipsoidal cells in fluidic micro-electrode systems has been studied by numerical simulations, theoretical analysis and experiment. The field distributions in electrorotation chambers were analyzed using finite element programs. The two-dimensional electric field distributions in electrorotation chips were compared for various electrode shapes. Further, the three-dimensional electric field distributions in electroporation chambers were analyzed. New simplified analytical equations have been developed applying to the dielectrophoretic force and transmembrane potential induced in spheroidal cell models. The equations avoid the complicated description by the depolarizing factors. Furthermore, the effects of cell orientation and electric field frequency on the transmembrane potential induced in ellipsoidal cells were studied. The theoretical results were confirmed in electropermeabilization experiments with chicken red blood cells.
Zusammenfassung: Die Elektromanipulation ellipsoider Zellen in fluidischen Mikroelektrodensystemen wurde mit Hilfe numerischer Simulation, theoretischer Analyse beschrieben sowie experimentell untersucht. Die Feldverteilung in Elektrorotationskammern wurde mit Finite-Elemente-Programmen analysiert. Die zweidimensionalen elektrischen Feldverteilungen für verschiedene Elektrodenformen wurden verglichen. Zusätzlich wurden die dreidimensionalen Feldverteilungen in den Elektroporationsmesskammern analysiert. Neue und vereinfachte analytische Gleichungen wurden unter Vermeidung der Depolarisationsfaktoren hergeleitet. Diese Gleichungen gelten für die dielektrophoretische Kraft und das Transmembranpotential von spheroiden Zellen. Ähnliche Gleichungen gelten für Zellorientierung und Frequenzabhängigkeit ellipsoider Zellen. Die theoretischen Ergebnisse wurden in Experimenten zur Elektropermeabilisierung von Hühnererythrozyten untermauert.