隨著微流控技術(shù)的迅猛發(fā)展，微流控領(lǐng)域出現(xiàn)了眾多具有創(chuàng)新意義的新技術(shù)，如表面張力限制的液滴微流控技術(shù)。表面張力限制的液滴微流控技術(shù)在生物醫(yī)藥和材料合成等方面具有非常廣泛的應(yīng)用，使用簡便而有效的方法制備出均勻性良好的液滴陣列也是近年來的研究熱點(diǎn)之一。近日，上海大學(xué)的巫金波教授團(tuán)隊(duì)通過表面親疏水的差異將微米級尺寸的液滴固定在基片表面，制備出不同形狀、尺寸的液滴陣列，并利用液滴陣列進(jìn)行單細(xì)胞的培養(yǎng)與觀測。

傳統(tǒng)的液滴微流控技術(shù)多是基于復(fù)雜的三維立體通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片，制備工藝復(fù)雜、儀器精度要求高且價(jià)格昂貴。表面張力限制的液滴微流控技術(shù)與傳統(tǒng)液滴微流控技術(shù)最大的不同點(diǎn)在于前者基于對表面張力的控制，從而實(shí)現(xiàn)對液滴的操控，如液滴的生成及運(yùn)動(dòng)，而后者是基于對三維微通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)液滴的分裂、運(yùn)動(dòng)及融合。相應(yīng)地，基于表面張力的液滴微流控技術(shù)只需要對平臺(tái)表面進(jìn)行選擇性的化學(xué)改性或者物理作用，使平臺(tái)表面的不同區(qū)域?qū)σ后w的表面張力發(fā)生變化，產(chǎn)生具有親疏水性的通道或陣列圖案。通過改變圖案尺寸或調(diào)節(jié)液滴產(chǎn)生過程中的各項(xiàng)參數(shù)，他們就能夠?qū)崿F(xiàn)對液滴尺寸及形貌的調(diào)控，對需要精確定量的化學(xué)或生物反應(yīng)而言是巨大的優(yōu)勢。但就目前發(fā)展情況而言，這一技術(shù)仍存在一定的挑戰(zhàn)和困難——微小體量的液滴揮發(fā)速率極快，如何確保液滴體積的穩(wěn)定性并利用液滴陣列進(jìn)行材料的合成或細(xì)胞培養(yǎng)仍需要進(jìn)一步的探索。

上海大學(xué)的巫金波教授團(tuán)隊(duì)在具有疏水性質(zhì)的基片表面構(gòu)建了親水圖案，當(dāng)把水溶液（如熒光溶液、細(xì)胞培養(yǎng)液等）和油液依次分別添加到基片表面時(shí)，通過滑動(dòng)玻璃蓋片的方法，親水區(qū)域的水溶液會(huì)得到保留，而疏水區(qū)域會(huì)被油液所侵占，從而成功地制備出形狀規(guī)則、尺寸均一、排布整齊的皮升量級的油蓋水型液滴陣列。整個(gè)過程只需短短的5秒鐘便可制備出一萬多個(gè)體積為31皮升左右的液滴，液滴生成的通量達(dá)到3 kHz。他們還用油液覆蓋液滴陣列，一方面使陣列中的液滴之間相互隔離，另一方面有效地阻止了液滴的蒸發(fā)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，油蓋水液滴陣列可在室溫下存儲(chǔ)兩天以上，為基于液滴的應(yīng)用提供了必要的條件。因此，人們可以通過上述方法將微顆?；蚣?xì)胞封裝到液滴陣列中。

圖1. 油蓋水型液滴陣列制備步驟的示意圖

大腸桿菌是人和動(dòng)物腸道中的正常棲居菌，通過調(diào)整細(xì)菌培養(yǎng)液中大腸桿菌的濃度可制備出液滴中含有單個(gè)大腸桿菌的油蓋水型液滴陣列。在36小時(shí)的培養(yǎng)期間，液滴中的大腸桿菌表現(xiàn)出十分強(qiáng)的活性，并順利地進(jìn)行生長和增殖等生命活動(dòng)。在所觀測的液滴中，經(jīng)36小時(shí)的培養(yǎng)后液滴中大腸桿菌的數(shù)量由原來的1個(gè)或3個(gè)分別增加到47個(gè)或68個(gè)左右。大腸桿菌在液滴中成功的增殖說明上述液滴陣列在單細(xì)胞培養(yǎng)等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值，如可進(jìn)行高通量的細(xì)胞毒性測試、藥物篩選及材料合成等。

圖2. 液滴中大腸桿菌的數(shù)目隨時(shí)間變化的圖像

該論文作者為：Han Wu, Xinlian Chen, Xinghua Gao, Mengying Zhang, Jinbo Wu and Weijia Wen

High-Throughput Generation of Durable Droplet Arrays for Single-Cell Encapsulation, Culture, and Monitoring

Anal. Chem., 2018, 90, 4303, DOI: 10.1021/acs.analchem.8b00048

科研思路分析

Q：這項(xiàng)研究最初是什么目的？或者說想法是怎么產(chǎn)生的？

A：表面張力限制的液滴微流技術(shù)通常需要在疏水性基底表面構(gòu)建親水性圖案，通過改變圖案尺寸或調(diào)節(jié)液滴產(chǎn)生過程中的各項(xiàng)參數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對液滴尺寸及形貌的調(diào)控。但就目前發(fā)展的情況而言，這一技術(shù)仍存在一定的挑戰(zhàn)和困難：一方面，想要制備出排布整齊、尺寸均一以及形狀規(guī)則的液滴陣列仍具有較大的難度；另一方面，要想改變液滴的尺寸，親疏水圖案化基底需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和制備，由此將增加額外的損耗和步驟；最后，微小體量液滴的揮發(fā)速率極快，如何確保液滴體積的穩(wěn)定性并利用液滴陣列進(jìn)行材料的合成或單細(xì)胞的培養(yǎng)仍需要進(jìn)一步的探索和研究。因此，使用簡便而有效的方法制備出均勻性良好的液滴陣列，對推廣液滴微流控的實(shí)際應(yīng)用具有重大的意義。

Q：研究過程中遇到哪些挑戰(zhàn)？

A：遇到的第一個(gè)挑戰(zhàn)是如何控制液滴的形貌與尺寸，液滴的尺寸與形貌主要與模板通孔尺寸、等離子體的濺射時(shí)間以及基底的性質(zhì)等因素相關(guān)，精確控制液滴的尺寸需要通過大量的實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。遇到的最大的挑戰(zhàn)是如何利用液滴陣列進(jìn)行細(xì)胞的捕獲與培養(yǎng)，當(dāng)采用普通的玻璃基底時(shí)，細(xì)胞不僅會(huì)出現(xiàn)在液滴中，也會(huì)出現(xiàn)在液滴之外，且無法制備出大量均勻性良好的含有細(xì)胞的細(xì)胞培養(yǎng)液液滴陣列，為針對細(xì)胞的研究帶來了不便。經(jīng)過逐步的探索與研究，我們發(fā)現(xiàn)使用PDMS作為基底是絕佳的選擇，從而實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞的培養(yǎng)。

Q：該研究成果可能有哪些重要的應(yīng)用？哪些領(lǐng)域的企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)可能從該成果中獲得幫助？

A：所提出的制備油蓋水型液滴陣列的方法具有簡便、高效、高通量、低消耗、無需額外精密儀器等優(yōu)點(diǎn)，液滴生成的通量達(dá)到3 kHz，且通過該方法實(shí)現(xiàn)了微顆粒的封裝以及單細(xì)胞的捕獲、培養(yǎng)與動(dòng)態(tài)觀測。該方法具有許多優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出色，在生物和化學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如可進(jìn)行高通量的細(xì)胞毒性測試、藥物篩選及材料合成等。該研究的相關(guān)內(nèi)容已申請專利。

（文章來源:X-MOL（x-mol.com） 科學(xué)網(wǎng)科學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）