一种可编程重力自驱动微流控芯片

近年来，全球范围内的公共卫生事件频发，迫切需要高效的平台进行快速检测进而控制其传播。然而，传统的诊断方法通常涉及繁琐且专业的操作步骤，需耗费大量的时间。为应对这一挑战，即时检验（Point-of-care testing, POCT）逐渐崭露头角，利用便携设备迅速提供结果，有助于应对大流行疫情。微流控芯片是POCT领域的重要创新，通过微通道和微结构在微尺度上精确控制流体流动、混合、分离和反应，从而提高POCT的准确性和效率。其中，重力驱动微流控系统以其通用性和垂直流动力显示了巨大的前景。然而，值得注意的是，目前仍然缺乏能够在不依赖外力的情况下自动控制多种流体的重力驱动微流控平台。

2023年12月12日，华中科技大学生命学院刘笔锋课题组在《Small》期刊上在线发表题为“Programmable Gravity Self-Driven Microfluidic Chip for Point-of-Care Multiplied Immunoassays”的研究文章。

该研究工作报道了一种独特的可编程重力自驱动微流控芯片（Programmable Gravity Self-Driven Microfluidic Chip：PGSMC），能够同时进行多试剂顺序释放、多靶标分析和多芯片操作。只需垂直翻转 PGSMC 即可启动该过程实现流体顺序释放，无需额外的步骤或设备（图1）。

图1 PGSMC设计原理图

为验证PGSMC顺序释放的可行性，研究团队分别进行理论建模、数值模拟和实际验证。这些结果都表明在重力作用下延时通道可以逐一调节通道阻力进而控制流体顺序释放（图2）。

图2 顺序释放原理阐述和验证

为进一步验证其功能，研究团队将PGSMC应用于多重抗核抗体测试。结果显示，PGSMC可以在60 min之内完成即时免疫分析（传统方法＞120 min），并且显示了良好的特异性（图3）。

图3 基于PGSMC的抗核抗体免疫分析

最后研究团队通过对临床样本分析测试进一步验证了PGSMC的实际应用性。结果显示，其达到了的96%的灵敏度、100%的特异性和99%的准确性。

图4 PGSMC在临床应用中的分析性能

综上所述，该研究设计了一种可编程重力自驱动微流控芯片，其特点是设计简单，不依赖外部驱动器或设备。PGSMC能够实现可编程的多试剂释放，多芯片操作和多靶标分析，从而完成高通量测试。用户只需添加试剂即可轻松获得结果。此外，与传统方法（>120 min）相比，它在不到60 min内完成了抗核抗体免疫分析，并展示了良好的分析性能。针对25例临床样本的评估显示出较好的敏感性（96%）、特异性（100%）和准确性（99%）。这项研究为POCT提供了新思路，特别是自动化流体控制方面。

华中科技大学刘笔锋教授和陈鹏副教授为共同通讯作者。华中科技大学博士生袁慧娟、万超为共同第一作者。该工作的完成也离不开王鑫博士、李顺基博士、谢寒博士、钱纯亘博士，杜伟教授、冯晓均教授和李一伟教授等其他合作者的帮助。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

审核编辑：黄飞