集成片上樣品富集模塊的液滴微流控器件，用于單細胞的高效率封裝

傳統的生物醫學研究主要依靠對細胞群的分析，這種分析方法只能簡單地分析細胞集合的平均特性，而無法捕捉細胞群之間的異質性。近年來，人們越來越認識到在單個細胞水平上研究生物樣本的重要性和意義，細胞群的同質性假設受到了挑戰。為此，人們開發了適當的工具來研究組織內單個細胞之間存在的異質性和多樣性。

液滴微流控技術在單細胞測序、細胞系追蹤、檢測開發、藥物篩選以及稀有細胞分析等方面具有巨大潛力。

然而，傳統液滴微流控器件中的單細胞封裝率在很大程度上受到水相中初始細胞密度和微通道幾何形狀的影響。在隨機封裝中，細胞在水相中隨機分布，根據泊松分布理論，最多只有37%的液滴能夠封裝單個細胞。這種低概率導致樣品和液滴材料的大量浪費。因此，為解決這個問題，通常選擇螺旋微流控技術將細胞集中到等間距的單線上，使單細胞按順序進入液滴。例如，Park等人采用寬度為140 μm的五環螺旋通道將15 μm的微珠聚焦成一條線，當 λ = 0.8 時，單個微珠的封裝率達到約60%（λ為每個液滴中細胞/微珠的平均數量，λ = （細胞/微珠懸浮密度）×（液滴體積））。雖然理論上較高的細胞密度可以提高封裝率，但將懸浮液密度提高一倍至λ = 1.6并沒有顯著提高單珠封裝率（65%）。這一結果可能是由于在流動條件下，螺旋通道在高濃度樣品上的性能會因相互影響而下降。相比之下，Kemna等人采用類似的五環螺旋通道實現了較高的單細胞液滴封裝率（77%）。比較這兩項研究可以發現，較高的細胞密度（λ = 1.1）和較窄的螺旋通道（50 μm）可以導致較高的單細胞封裝率。同時，窄螺旋通道可能有助于提高細胞的密度，但窄螺旋通道也可能導致堵塞。對于一組給定的參數，如初始細胞密度、容積流速、通道高度和寬度，成功的單細胞封裝總是面臨著聚焦效率和封裝率之間的內在權衡。液滴的形成和每個液滴的封裝細胞數對這些參數極為敏感。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自新加坡國立大學（National University of Singapore）的研究人員提出了一種新型液滴微流控器件（圖1），該器件集成了雙螺旋聚焦單元和片上樣品富集模塊，可實現高通量單細胞封裝。在液滴封裝之前進行片上樣品富集，可避免細胞密度過高而堵塞狹窄通道的風險。

研究人員還發現，使用較低的初始細胞密度可減少細胞間的相互作用，從而大大促進細胞聚焦和單細胞封裝?；诹鲃幼枇Φ臉悠犯患K可在細胞聚焦后通過去除多余的水相調整細胞密度。水相的去除量可通過改變蛇形單元的數量來控制，而蛇形單元的數量則由PDMS芯片打孔器決定。低密度樣品和更大的通道提高了聚焦效率，降低了流動剪切應力，并減少了堵塞的可能性。這種新型微流控器件大大提高了油包水液滴中單細胞封裝參數選擇的靈活性。相關研究成果以“Enhancing single-cell encapsulation in droplet microfluidics with fine-tunable on-chip sample enrichment”為題發表在microsystems & nanoengineering期刊上。

圖1 用于單細胞封裝的液滴微流控平臺示意圖

研究人員設計的微流控平臺共有三個單元：（1）帶有等距支柱的8環雙螺旋聚焦單元。其中，螺旋通道寬度為100 μm，最內圈的曲率半徑為333 μm，最外圈的曲率半徑為3800 μm。該裝置中的支柱呈70 μm半圓形，每隔1/6 圈（30°）放置在環形通道內側。（2）基于流動阻力的樣品富集模塊。該模塊由5個相同的蛇形單元組成，每個單元長700 μm，寬100 μm，每個蛇形單元之間的間距為700 μm。（3）液滴生成單元，采用傳統的交叉流結構。

在該微流控平臺的設計中，樣品聚焦是防止樣品在去除多余水分時流失的重要步驟。研究人員利用螺旋通道進行聚焦，將所有樣品依次導入液滴生成單元。雖然聲學等主動聚焦技術（也能實現高效的片上細胞聚焦）也可能適用于該微流控系統，但目前的設計是一種簡單、集成的片上富集工具，無需在實驗前進行額外的富集步驟。

此外，通過整合樣品富集模塊，該研究實現了較高的單細胞封裝率：15 μm微珠的封裝率為79.2%，MDA-MB-231細胞（約14 μm）的封裝率為 72.2%。這種高水平的性能在不同直徑的微珠或細胞中都得以保持。在沒有樣品富集模塊的情況下，微珠的富集率降至24.2%。造成這一巨大差異的部分原因可能是流速。去掉50%的水后，樣品懸浮液可以以更高的流速泵送（即80 μL/min ），而沒有樣品富集模塊時，流速必須限制在40 μL/min 。眾所周知，較高的流速會對樣品產生較大的推力，減少樣品在輸送過程中的沉降。

圖2 使用15 μm聚苯乙烯微珠的微流控芯片在三種不同流速下的軌跡聚焦和樣品富集性能

圖3 15 μm聚苯乙烯微珠的液滴封裝

圖4 三種不同流速下微流控芯片上細胞（MDA-MB-231）的軌跡聚焦和樣品富集性能

總之，本研究成功地展示了將片上樣品富集模塊集成到液滴微流控平臺的優勢，從而為各種應用提供了一種用途更廣、更靈活的設計思路。未來研究的重點可能是改進液滴微流控器件的設計，以進一步提高聚焦性能和樣品富集效率。這樣的進步將能更精確地控制單個或多個微珠或細胞的封裝率，并進一步擴大這一多功能平臺的應用范圍。



審核編輯：劉清