集成片上样品富集模块的液滴微流控器件，用于单细胞的高效率封装

传统的生物医学研究主要依靠对细胞群的分析，这种分析方法只能简单地分析细胞集合的平均特性，而无法捕捉细胞群之间的异质性。近年来，人们越来越认识到在单个细胞水平上研究生物样本的重要性和意义，细胞群的同质性假设受到了挑战。为此，人们开发了适当的工具来研究组织内单个细胞之间存在的异质性和多样性。

液滴微流控技术在单细胞测序、细胞系追踪、检测开发、药物筛选以及稀有细胞分析等方面具有巨大潜力。

然而，传统液滴微流控器件中的单细胞封装率在很大程度上受到水相中初始细胞密度和微通道几何形状的影响。在随机封装中，细胞在水相中随机分布，根据泊松分布理论，最多只有37%的液滴能够封装单个细胞。这种低概率导致样品和液滴材料的大量浪费。因此，为解决这个问题，通常选择螺旋微流控技术将细胞集中到等间距的单线上，使单细胞按顺序进入液滴。例如，Park等人采用宽度为140 μm的五环螺旋通道将15 μm的微珠聚焦成一条线，当 λ = 0.8 时，单个微珠的封装率达到约60%（λ为每个液滴中细胞/微珠的平均数量，λ = （细胞/微珠悬浮密度）×（液滴体积））。虽然理论上较高的细胞密度可以提高封装率，但将悬浮液密度提高一倍至λ = 1.6并没有显著提高单珠封装率（65%）。这一结果可能是由于在流动条件下，螺旋通道在高浓度样品上的性能会因相互影响而下降。相比之下，Kemna等人采用类似的五环螺旋通道实现了较高的单细胞液滴封装率（77%）。比较这两项研究可以发现，较高的细胞密度（λ = 1.1）和较窄的螺旋通道（50 μm）可以导致较高的单细胞封装率。同时，窄螺旋通道可能有助于提高细胞的密度，但窄螺旋通道也可能导致堵塞。对于一组给定的参数，如初始细胞密度、容积流速、通道高度和宽度，成功的单细胞封装总是面临着聚焦效率和封装率之间的内在权衡。液滴的形成和每个液滴的封装细胞数对这些参数极为敏感。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自新加坡国立大学（National University of Singapore）的研究人员提出了一种新型液滴微流控器件（图1），该器件集成了双螺旋聚焦单元和片上样品富集模块，可实现高通量单细胞封装。在液滴封装之前进行片上样品富集，可避免细胞密度过高而堵塞狭窄通道的风险。

研究人员还发现，使用较低的初始细胞密度可减少细胞间的相互作用，从而大大促进细胞聚焦和单细胞封装。基于流动阻力的样品富集模块可在细胞聚焦后通过去除多余的水相调整细胞密度。水相的去除量可通过改变蛇形单元的数量来控制，而蛇形单元的数量则由PDMS芯片打孔器决定。低密度样品和更大的通道提高了聚焦效率，降低了流动剪切应力，并减少了堵塞的可能性。这种新型微流控器件大大提高了油包水液滴中单细胞封装参数选择的灵活性。相关研究成果以“Enhancing single-cell encapsulation in droplet microfluidics with fine-tunable on-chip sample enrichment”为题发表在microsystems & nanoengineering期刊上。

图1 用于单细胞封装的液滴微流控平台示意图

研究人员设计的微流控平台共有三个单元：（1）带有等距支柱的8环双螺旋聚焦单元。其中，螺旋通道宽度为100 μm，最内圈的曲率半径为333 μm，最外圈的曲率半径为3800 μm。该装置中的支柱呈70 μm半圆形，每隔1/6 圈（30°）放置在环形通道内侧。（2）基于流动阻力的样品富集模块。该模块由5个相同的蛇形单元组成，每个单元长700 μm，宽100 μm，每个蛇形单元之间的间距为700 μm。（3）液滴生成单元，采用传统的交叉流结构。

在该微流控平台的设计中，样品聚焦是防止样品在去除多余水分时流失的重要步骤。研究人员利用螺旋通道进行聚焦，将所有样品依次导入液滴生成单元。虽然声学等主动聚焦技术（也能实现高效的片上细胞聚焦）也可能适用于该微流控系统，但目前的设计是一种简单、集成的片上富集工具，无需在实验前进行额外的富集步骤。

此外，通过整合样品富集模块，该研究实现了较高的单细胞封装率：15 μm微珠的封装率为79.2%，MDA-MB-231细胞（约14 μm）的封装率为 72.2%。这种高水平的性能在不同直径的微珠或细胞中都得以保持。在没有样品富集模块的情况下，微珠的富集率降至24.2%。造成这一巨大差异的部分原因可能是流速。去掉50%的水后，样品悬浮液可以以更高的流速泵送（即80 μL/min ），而没有样品富集模块时，流速必须限制在40 μL/min 。众所周知，较高的流速会对样品产生较大的推力，减少样品在输送过程中的沉降。

图2 使用15 μm聚苯乙烯微珠的微流控芯片在三种不同流速下的轨迹聚焦和样品富集性能

图3 15 μm聚苯乙烯微珠的液滴封装

图4 三种不同流速下微流控芯片上细胞（MDA-MB-231）的轨迹聚焦和样品富集性能

总之，本研究成功地展示了将片上样品富集模块集成到液滴微流控平台的优势，从而为各种应用提供了一种用途更广、更灵活的设计思路。未来研究的重点可能是改进液滴微流控器件的设计，以进一步提高聚焦性能和样品富集效率。这样的进步将能更精确地控制单个或多个微珠或细胞的封装率，并进一步扩大这一多功能平台的应用范围。



审核编辑：刘清