細胞破碎是指利用外力破壞細胞膜和細胞壁，使細胞內容物包括目的產物成分釋放出來的技術，是分離純化細胞內合成的非分泌型生化物質（產品）的基礎。結合重組DNA技術和組織培養技術上的重大進展，以前認為很難獲得的蛋白質現在可以大規模生產。

但是由于細菌、酵母、真菌、植物細胞壁的組成成分不同，且同類細胞結成的網狀結構也不同，所以其細胞壁的堅固程度不同。而動物細胞雖沒有細胞壁，但具有細胞膜，也需要一定的細胞破碎方法來破膜，達到提取產物的目的。

一、細胞破碎方法

1. 機械法

1.1 組織搗碎

將材料配成稀糊狀液，放置于筒內約1/3體積，蓋緊筒蓋，將調速器先撥至最慢處，開動開關后，逐步加速至所需速度。一般用于動物組織、植物肉質種子、柔嫩的葉芽等，轉速可高達10000rpm/M以上。由于旋轉刀片的機械切力很大,制備一些較大分子如核酸則很少使用。

1.2 勻漿器

先將剪碎的組織置于管中，再套入研桿來回研磨，上下移動，即可將細胞研碎。勻漿器的研缽磨球和玻璃管內壁之間間隙保持在十分之幾毫米距離。制作勻漿器的材料，除玻璃外，還可以用硬質塑料、不銹鋼、人造熒光樹脂等。

此法細胞破碎程度比高速組織搗碎機為高，適用于量少和動物臟器組織。

存在的問題：較易造成堵塞的團狀或絲狀真菌，較小的革蘭氏陽性首以及有些亞細胞器，質地堅硬，易損傷勻漿閥，也不適合用該法處理。

1.3 研缽

多用于細菌或其他堅硬植物材料，研磨時常加入少量石英砂，玻璃粉或其他研磨劑，以提高研磨效果。

1.4 細菌磨

是一種改良了的研磨器，比研缽具有更大的研磨面積，而且低部有出口。操作時先把細菌和研磨粉調成糊狀，每次加入一小勺，研磨20-30秒即可將細菌細胞完全磨碎。

2. 化學及生物化學法

2.1自溶法

在一定PH和適當的溫度下，利用組織細胞內自身的酶系統將細胞破碎的方法。此過程需較長時間，常用少量防腐劑如甲苯、氯仿等防止細胞的污染。

2.2 酶溶法

利用各種水解酶，如溶菌酶、纖維素酶、蝸牛酶、半纖維素酶、脂酶等，將細胞壁分解，使細胞內含物釋放出來。有些細菌對溶菌酶不敏感，加入少量巰基試劑或8摩爾尿素處理后，使之轉為對溶菌酶敏感而溶解。

2.3 化學滲透法

某些有機溶劑（如苯、甲苯）、抗生素、表面活性劑、金屬螯合劑、變性劑等化學藥品都可以改變細胞壁或膜的通透性從而使內合物有選擇地滲透出來。其作用機理；化學滲透取決于化學試劑的類型以及細胞壁和膜的結構與組成。

3. 物理法

3.1 反復凍溶法

原理：因突然冷凍，細胞內冰晶的形成及胞內外溶劑濃度的突然改變而破壞細胞。

方法：將待破碎的細胞在-20度以下冰凍，室溫融解，反復幾次，由于細胞內冰粒形成和剩余細胞液的鹽濃度增高引起溶脹，使細胞結構破碎。

3.3  急熱驟冷法

將材料投入沸水中，維持85-90分鐘，至水浴中急速冷卻，此法可用于細菌及病毒材料。

二、超聲波破碎機理

超聲波是物質介質中的一種彈性機械波，它是一種波動形式，因此它可以用于探測人體的生理及病理信息，既診斷超聲。同時，它又是一種能量形式，當達到一定劑量的超聲在生物體內傳播時，通過它們之間的相互作用,能引起生物體的功能和結構發生變化，即超聲生物效應。

超聲對細胞的作用主要有熱效應，空化效應和機械效應。

熱效應是當超聲在介質中傳播時，摩擦力阻礙了由超聲引起的分子震動，使部分能量轉化為局部高熱（42-43℃），因為正常組織的臨界致死溫度為45.7℃，而腫瘤組織比正常組織敏感性高，故在此溫度下腫瘤細胞的代謝發生障礙，DNA、RNA、蛋白質合成受到影響，從而殺傷癌細胞而正常組織不受影響。

空化效應是在超聲照射下，生物體內形成空泡，隨著空泡震動和其猛烈的聚爆而產生出機械剪切壓力和動蕩，使腫瘤出血、組織瓦解以致壞死。另外，空化泡破裂時產生瞬時高溫（約5000℃）、高壓（可達500×104Pa），可使水蒸氣熱解離產生.OH自由基和.H原子，由.OH自由基和.H原子引起的氧化還原反應可導致多聚物降解、酶失活、脂質過氧化和細胞殺傷。

機械效應是超聲的原發效應，超聲波在傳播過程中介質質點交替地壓縮與伸張構成了壓力變化，引起細胞結構損傷。殺傷作用的強弱與超聲的頻率和強度密切相關。

三、超聲波應用

1、超聲波提取生物納米(超聲波化學合成法)

超聲波化學反應中，起關鍵作用的是聲波的空化效應，在超聲波的輻照過程中，在液體里將發生空化氣泡的形成，長大和崩滅，當空化氣泡崩滅時產生一個覆蓋著的強壓力脈沖，產生許多獨特的性質，例如產生高達5000K的高溫，大于200Mpa的壓力，這就是超聲波化學合成的能量來源，利用這些能量能在一些特殊粉末表面合成出納米粒子。
  
2、超聲波制藥
   
2.1注射用醫藥物質的分散

將磷脂類與膽固醇混合用適當方法與藥物混合在水液中，經超聲分散，可以得到更小粒子供靜脈注射。
    
2.2草藥提取

利用超聲分散破壞植物組織，加速溶劑穿透組織作用，提高中草藥有效成分提取率。如金雞納樹皮中全部生物堿用一般方法侵出需5小時以上，采用超聲分散只要半小時即可完成。
    
2.3制備混懸劑

在超聲空化和強烈攪拌下，將一種固體藥物分散在含有表面活性劑的水溶液中，可以形成1um左右口服或靜脈注射混懸劑。例“靜注喜樹堿混懸劑”“肝臟造影劑”、“硫酸鋇混懸劑”。
    
2.4 制備疫苗

將細胞或病菌借助于超聲分散將其殺死以后，再用適當方法制成疫苗。

3、超聲波對化妝品的分散
    
為了更進一步提取藥物精華和粒子微細化，并節約生產成本，達到分散、乳化效果，使化妝品更深入滲透到肌膚里層，讓肌膚很好的吸收，發揮藥物的效力和作用，采用超聲波乳化可達到非常理想的效果。采用超聲分散，則不需要使用乳化劑，就能使蠟及石蠟乳化、化妝水等油的微粒子分散。石臘在水中分散的粒子直徑可達1um以下。

4、超聲波對酒的醇化—催陳技術
    
一瓶美酒以它的酒味醇厚，綿軟柔和、芳香濃郁為人青睞，人們常用陳年老酒來形容酒的珍貴，一瓶上世紀的陳酒，標價幾萬元，其價格的含義在于時間的存放上。酒的主要控制因素是化學變化即酸的形成，并進一步酯化，酯參與乙醇和水的締合。剛出廠的酒含有戍醇，有辛辣味，這種氣味要經過很長時間才能化解，這個緩慢變化稱酒的醇化。用功率1.6KW，頻率17.5-22KHZ的超聲波處理5-10min，可使酒的老熟時間縮短1/3到1/2。

四、超聲波破碎技術的優缺點

就目前超聲波儀器主要有超聲波振蕩器以及超聲波粉碎儀等。

其優點是保持細胞活性，省時，樣品損失少，可以處理大量樣品。因此超聲波細胞粉碎儀的不斷發展和改進，對大規模生產的貢獻是十分可觀的。 超聲波細胞粉碎儀進行超聲粉碎破碎是目前在生物生產中最常用的破碎方法。對不同菌種的發酵液。超聲破碎的效果差別較大。一般地，桿菌比球菌較易破碎，革蘭氏陰性細菌細胞比革蘭氏陽性細菌細胞較易破碎，對酵母菌的效果較差。

優點：操作簡便，液量損失少，適合實驗室規模。缺點：成本高；易引起溫度的劇烈上升；在大規模操作中，聲能傳遞和散熱困難，產生的化學自由基團易使產物失活，所以其影響了其在大規模的工業上的應用。

五、總結
  
超聲波細胞粉碎儀可以并且已經被廣泛用于生物化學、微生物學藥理學、物理學、動物學、農學、醫學、制藥等領域的教學、科研、生產
    
超聲波破碎作為細胞破碎的一種方法在實驗室規模應用較普遍，處理少量樣品時操作簡便，液量損失少，但是超聲波產生的化學自由基團能使某些敏感性活性物質變性失活。而且大容量裝置聲能傳遞，散熱均有困難，應采取相應降溫措施。從前面可以看出超聲波破碎細胞技術遠未完善，還有待進一步發展。