微納3D打印(yin)微(wei)流(liu)控芯(xin)片(pian)：實(shi)現細胞精(jing)準(zhun)分選的(de)新(xin)突破(po)

在(zai)生(sheng)物醫學研(yan)究與(yu)臨(lin)床(chuang)診(zhen)斷(duan)領(ling)域，快速、高效(xiao)地分離(li)特定(ding)細胞是(shi)實(shi)現精(jing)準(zhun)分析(xi)的關(guan)鍵(jian)環(huan)節(jie)，也(ye)是(shi)壹(yi)項長(chang)期存(cun)在(zai)的(de)技(ji)術挑(tiao)戰。目(mu)前(qian)廣泛(fan)使(shi)用的(de)傳統方法(fa)，如(ru)離(li)心和(he)膜(mo)過(guo)濾，在(zai)面對(dui)微量樣本處(chu)理(li)時(shi)，往(wang)往(wang)在回(hui)收率(lv)、操(cao)作效(xiao)率(lv)或(huo)樣本活性(xing)保(bao)持(chi)等(deng)方面仍存在著許多(duo)局(ju)限(xian)。

近期，丹(dan)麥技(ji)術大(da)學聯合多(duo)家機構近日開發(fa)出(chu)壹(yi)種基於粘彈(dan)性流(liu)體原(yuan)理(li)的3D打印(yin)微(wei)流(liu)控富(fu)集裝置，該裝置通過創(chuang)新(xin)性的(de)反向噴(pen)嘴設(she)計和(he)可(ke)調(tiao)節(jie)的毛(mao)細管系(xi)統，實(shi)現了(le)對(dui)細胞和(he)微(wei)粒的精準(zhun)分選，為(wei)生(sheng)物樣本處(chu)理(li)提供(gong)了(le)全新(xin)解決方案。該研(yan)究以“Viscoelastic particle enrichment using a 3D-printed enrichment device"為(wei)題發(fa)表(biao)在國際期刊《Sensors and Actuators A: Physical》上(shang)。

該(gai)富(fu)集裝置的核心在於其獨(du)特的流(liu)動聚焦(jiao)機制。當(dang)樣本註入充(chong)滿粘(zhan)彈性流(liu)體的(de)微通道時(shi)，不同(tong)尺寸(cun)的(de)顆(ke)粒會(hui)受到(dao)差異化的(de)彈性升力作用。較大顆(ke)粒在(zai)粘彈(dan)性流(liu)體中會以更快的速度(du)向通道中心軸遷(qian)移，而(er)較小(xiao)顆(ke)粒則保(bao)持(chi)相(xiang)對(dui)分散(san)的(de)狀態(tai)。這(zhe)種物理(li)現象(xiang)使(shi)得裝置能夠(gou)按照(zhao)尺寸(cun)大(da)小(xiao)實(shi)現顆(ke)粒的(de)自(zi)然(ran)分離(li)。研(yan)究團(tuan)隊采(cai)用摩方精密(mi)面投(tou)影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻(ke)（PμSL）3D打印(yin)技(ji)術（nanoArch® S140，精(jing)度：10μm）制備了(le)該裝置。整體尺寸(cun)僅(jin)2mm厚、10mm寬，其(qi)中還(hai)包(bao)含壹(yi)個獨(du)特的漏鬥(dou)型(xing)空腔(qiang)和(he)反向噴(pen)嘴結(jie)構，配合熔(rong)融石英(ying)毛(mao)細管組成完(wan)整(zheng)的(de)進樣和(he)收集(ji)系(xi)統。這(zhe)種設(she)計不僅(jin)確(que)保(bao)了(le)流(liu)動的(de)對(dui)稱性，還(hai)大大(da)簡(jian)化了(le)操(cao)作流(liu)程(cheng)。

研(yan)究團(tuan)隊通過系(xi)統實(shi)驗驗(yan)證了(le)裝置的分離(li)能(neng)力。分別(bie)使(shi)用50μm和(he)100μm內徑的進口毛(mao)細管進行(xing)測試(shi)，結(jie)果表(biao)明該裝置能夠(gou)實(shi)現可(ke)調(tiao)節(jie)的尺寸(cun)分選閾(yu)值(zhi)。當(dang)使(shi)用100μm毛(mao)細管時(shi)，裝置可(ke)有效(xiao)分離(li)6μm以上(shang)的(de)顆(ke)粒；而(er)改(gai)用50μm毛(mao)細管時(shi)，分選閾(yu)值(zhi)可(ke)降(jiang)至2μm。

在不同(tong)流(liu)速條(tiao)件下的(de)測試顯示，裝置在20-100μL/min的流(liu)速範(fan)圍內均(jun)能保(bao)持(chi)穩定(ding)的分選性(xing)能(neng)。即使(shi)是(shi)在(zai)高流(liu)速下，10微(wei)米(mi)顆(ke)粒仍能被(bei)有效(xiao)富(fu)集到(dao)收集(ji)口1，而(er)收集(ji)口2基本檢測不到(dao)目標顆(ke)粒，證明(ming)了(le)裝置在較寬操(cao)作範(fan)圍內的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。

在藻類(lei)富(fu)集實(shi)驗中，研(yan)究團(tuan)隊使(shi)用含有紅桿菌和(he)藻(zao)類的混合(he)樣本進行(xing)測試(shi)。通過100μm毛(mao)細管進樣後(hou)，流(liu)式細胞術(shu)分析(xi)顯示，藻類(lei)細胞在(zai)收集(ji)口1實(shi)現了(le)近兩(liang)倍的(de)富(fu)集效(xiao)果(guo)，而(er)收集(ji)口2主要包(bao)含單(dan)個(ge)細菌細胞，藻(zao)類(lei)汙染(ran)率(lv)極低。這(zhe)壹結(jie)果驗(yan)證了(le)裝置在復雜生(sheng)物樣本中按尺寸(cun)分選的(de)有效(xiao)性(xing)。

在幹(gan)細胞分離(li)實(shi)驗中，裝置同樣展(zhan)現(xian)出(chu)優(you)異性(xing)能。將(jiang)人(ren)工汙染(ran)了(le)銅(tong)綠(lv)假單(dan)胞菌的(de)人(ren)胚胎幹細胞樣(yang)本通過裝置處(chu)理(li)後，收集(ji)口1實(shi)現了(le)幹細胞1.4倍的(de)富(fu)集，而(er)收集(ji)口2則不含幹(gan)細胞細胞，為(wei)汙染(ran)物分析(xi)提供(gong)了(le)純(chun)凈(jing)樣本。這種雙出口設(she)計使(shi)得用戶能夠(gou)同時(shi)獲(huo)得富(fu)集的目(mu)標(biao)細胞和(he)分離(li)的(de)汙染(ran)物，為(wei)質(zhi)量控制提供(gong)了(le)獨(du)特優(you)勢。

相(xiang)比傳(chuan)統(tong)方法(fa)，該(gai)3D打印(yin)裝置具(ju)有顯著優(you)勢。制造過程(cheng)采(cai)用高通量的(de)3D打印(yin)技(ji)術，單(dan)次(ci)打印(yin)可(ke)生(sheng)產數(shu)百(bai)個裝置單(dan)元(yuan)，大(da)幅降低了(le)制造成本和(he)時(shi)間。模塊化的(de)毛(mao)細管設(she)計使(shi)得用戶能夠(gou)根據具(ju)體(ti)應用(yong)需求靈(ling)活調(tiao)整(zheng)分選尺寸(cun)，無需重新(xin)設(she)計噴(pen)嘴(zui)結(jie)構。對(dui)於需要更高純(chun)度(du)的應用(yong)，可(ke)通過多(duo)次循環(huan)或(huo)串聯(lian)多(duo)個裝置來提升(sheng)分離(li)效(xiao)果(guo)。這項(xiang)技(ji)術為(wei)生(sheng)物醫學研(yan)究、環境監測(ce)和(he)臨(lin)床(chuang)診(zhen)斷(duan)提供(gong)了(le)新(xin)的樣(yang)本處(chu)理(li)工具(ju)，特別是(shi)在(zai)需要快速分離(li)和(he)富(fu)集特定(ding)細胞的(de)場景(jing)中展現(xian)出(chu)廣泛(fan)應用(yong)前(qian)景(jing)。隨(sui)著進壹步(bu)優(you)化和(he)驗(yan)證，這(zhe)種基於3D打印(yin)的(de)微流(liu)控分選裝置有望(wang)成(cheng)為(wei)實(shi)驗室常(chang)規(gui)工具(ju)，推動精(jing)準(zhun)醫(yi)療和(he)生(sheng)物技(ji)術的(de)發展。