利用慣性微流控技術實現(xiàn)微通道內(nèi)非尺寸依賴的細胞可控三維聚焦

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

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

近期，東南大學項楠教授課題組報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，并成功實現(xiàn)細胞在通道三維中心的單線聚焦，相關成果以“Controllable Size-Independent Three-Dimensional Inertial Focusing inHigh-Aspect-Ratio Asymmetric Serpentine Microchannels”為題發(fā)表在國際化學權威雜志Analytical Chemistry上。文章第一作者為倪陳博士，通訊作者為項楠教授。

在有限雷諾數(shù)下，顆粒在牛頓流體中沿彎流道流動時，會受到慣性升力和Dean拽力共同作用，該團隊設計的HARAS微通道（圖1A）能夠在不影響顆粒垂直聚焦的同時，完美地將慣性升力和Dean阻力進行有機結合，迫使顆粒在通道中遷移至唯一的受力平衡位置。

具體而言，該團隊采用的高深寬比通道結構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，從而有機會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，往往對顆粒的垂直聚焦產(chǎn)生負面影響。

因此，該團隊采用浸入邊界法（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動軌跡和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流混合效應且適用多尺寸顆粒的最佳曲率結構，并獲得了與實驗結果高度一致的數(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流中相應位置；（C）顆粒遷移軌跡模擬結果（來源：Anal. Chem.）

基于優(yōu)化的HARAS微通道，該團隊對10μm和15 μm顆粒以及A549和MCF-7細胞在不同流速下進行了聚焦測試。研究表明，不同尺寸的顆粒和細胞均在能較廣的流速范圍內(nèi)實現(xiàn)單線聚焦（圖3A-3D）。得益于這種高度穩(wěn)定的聚焦狀態(tài)，顆粒/細胞可以在相同位置以三維單線聚焦的形式進入出口直線通道，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，實現(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相交于一點（圖3A-3C），即實現(xiàn)顆粒/細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胞不同后續(xù)單元的可控分配，而細胞在通道三維中心的單線聚焦也將為單細胞封裝、液滴聚焦和細胞圖像識別創(chuàng)造新的貢獻。

圖3 顆粒和細胞在不同流速下的聚焦狀態(tài)（來源：Anal. Chem.）

綜上所述，該研究工作克服了以往報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，所設計的微流控裝置具有結構簡單、成本低和穩(wěn)定實現(xiàn)三維慣性聚焦等優(yōu)點，將為后續(xù)的單細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