利用慣性微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)微通道內(nèi)非尺寸依賴的細(xì)胞可控三維聚焦

微流控流式細(xì)胞術(shù)能夠以高通量、連續(xù)流動(dòng)的方式測量細(xì)胞流經(jīng)檢測區(qū)域時(shí)的熒光信號(hào)、光學(xué)圖像和阻抗變化，可以更好地了解細(xì)胞功能，測量單個(gè)細(xì)胞的生物物理信息，以及表征大樣本中的細(xì)胞異質(zhì)性，為基礎(chǔ)生物學(xué)研究和臨床診斷提供了重要的工具。

隨著對于細(xì)胞檢測精度需求的提升，將細(xì)胞進(jìn)行三維聚焦逐漸成為新的思路，這可以使得不同尺寸細(xì)胞在固定的截面位置逐個(gè)經(jīng)過檢測區(qū)域，從而避免了由于細(xì)胞位置變化和多個(gè)細(xì)胞同時(shí)在檢測區(qū)域中而導(dǎo)致的檢測誤差。然而，目前已報(bào)道的無鞘三維聚焦方案仍然不能解決細(xì)胞偏心聚焦的問題，無法解決細(xì)胞表面的不均勻變形，以及通道壁面對細(xì)胞輪廓識(shí)別和光學(xué)檢測的干擾。

近期，東南大學(xué)項(xiàng)楠教授課題組報(bào)道了一種新型的高深寬比非對稱蛇形（HARAS）微通道，用于探索非尺寸依賴的可控聚焦，并成功實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在通道三維中心的單線聚焦，相關(guān)成果以“Controllable Size-Independent Three-Dimensional Inertial Focusing inHigh-Aspect-Ratio Asymmetric Serpentine Microchannels”為題發(fā)表在國際化學(xué)權(quán)威雜志Analytical Chemistry上。文章第一作者為倪陳博士，通訊作者為項(xiàng)楠教授。

在有限雷諾數(shù)下，顆粒在牛頓流體中沿彎流道流動(dòng)時(shí)，會(huì)受到慣性升力和Dean拽力共同作用，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的HARAS微通道（圖1A）能夠在不影響顆粒垂直聚焦的同時(shí)，完美地將慣性升力和Dean阻力進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，迫使顆粒在通道中遷移至唯一的受力平衡位置。

具體而言，該團(tuán)隊(duì)采用的高深寬比通道結(jié)構(gòu)通常在直流道中可以將顆粒聚焦至通道長壁中心附近的兩個(gè)平衡位置，蛇形流道用以產(chǎn)生Dean流來調(diào)整顆粒的橫向位置，從而有機(jī)會(huì)將原本的雙列聚焦優(yōu)化成單線聚焦（圖1B-1C）。然而Dean流由于具有混合效應(yīng)，往往對顆粒的垂直聚焦產(chǎn)生負(fù)面影響。

因此，該團(tuán)隊(duì)采用浸入邊界法（IBM）耦合格子玻爾茲曼方法（LBM）和有限元方法（FEM）來模擬顆粒在流體中完整的三維遷移軌跡，并計(jì)算顆粒和流體的相互作用（圖2A）。通過分析不同曲率下不同尺寸顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和Dean流分布（圖2B），解析慣性升力和Dean阻力對顆粒聚焦的影響，確定可忽略Dean流混合效應(yīng)且適用多尺寸顆粒的最佳曲率結(jié)構(gòu)，并獲得了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致的數(shù)值軌跡（圖2C）。

圖1 （A）HARAS微通道示意圖；（B）顆粒從無序狀態(tài)到單線聚焦的過程示意圖；（C）顆粒在通道三維中心的單線聚焦（來源：Anal. Chem.）



圖2 （A）數(shù)值模擬方法示意圖；（B）不同位置處顆粒在Dean流中相應(yīng)位置；（C）顆粒遷移軌跡模擬結(jié)果（來源：Anal. Chem.）

基于優(yōu)化的HARAS微通道，該團(tuán)隊(duì)對10μm和15 μm顆粒以及A549和MCF-7細(xì)胞在不同流速下進(jìn)行了聚焦測試。研究表明，不同尺寸的顆粒和細(xì)胞均在能較廣的流速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單線聚焦（圖3A-3D）。得益于這種高度穩(wěn)定的聚焦?fàn)顟B(tài)，顆粒/細(xì)胞可以在相同位置以三維單線聚焦的形式進(jìn)入出口直線通道，并隨流速的增加，單線軌跡逐漸從內(nèi)流道壁向外流道壁移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聚焦位置的可控化。

此外，在流速調(diào)控的過程中，水平和垂直方向上的聚焦位置會(huì)相交于一點(diǎn)（圖3A-3C），即實(shí)現(xiàn)顆粒/細(xì)胞在通道三維中心的單線聚焦（圖3E）。這種流速調(diào)控的聚焦方式可以用于細(xì)胞不同后續(xù)單元的可控分配，而細(xì)胞在通道三維中心的單線聚焦也將為單細(xì)胞封裝、液滴聚焦和細(xì)胞圖像識(shí)別創(chuàng)造新的貢獻(xiàn)。

圖3 顆粒和細(xì)胞在不同流速下的聚焦?fàn)顟B(tài)（來源：Anal. Chem.）

綜上所述，該研究工作克服了以往報(bào)道中的偏心聚焦問題，為慣性微流控的三維聚焦提供了新的見解，所設(shè)計(jì)的微流控裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)三維慣性聚焦等優(yōu)點(diǎn)，將為后續(xù)的單細(xì)胞檢測和分析提供穩(wěn)定、高通量和位置可控的方案。

審核編輯：劉清