液體交換功能和微流控芯片的集成在生物醫(yī)學(xué)和生物物理學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因?yàn)槠淠軌蚩刂萍?xì)胞外環(huán)境，并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)單細(xì)胞的刺激和檢測(cè)。為了在微流控器件中實(shí)現(xiàn)液體交換，以往的一些研究驗(yàn)證了幾種方法。其中，在封閉式微流控芯片中，研究人員通常采用多重層流法來(lái)進(jìn)行液體交換。然而，在層流法中，要實(shí)現(xiàn)高速的液體交換，需要較高的注入電壓。相應(yīng)地，注入電壓的增加會(huì)對(duì)微流控芯片的力傳感器產(chǎn)生更大的干擾。此外，層流法還存在一些其它的缺點(diǎn)，例如，對(duì)大多數(shù)封閉式微流控芯片而言，其樣品處理和分析通常發(fā)生在封閉的微通道內(nèi)，這對(duì)外部工具的使用和樣品制備施加了限制。此外，如何控制封閉微通道內(nèi)液體交換的位置和壓力也是一個(gè)挑戰(zhàn)。另一種方法是利用具有泵系統(tǒng)的探針。該方法的優(yōu)點(diǎn)是溶液交換是在局部開(kāi)放空間中實(shí)現(xiàn)的，因此不會(huì)干擾周?chē)囊后w。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，來(lái)自日本名古屋大學(xué)（Nagoya University）、東京大學(xué)（The University of Tokyo）和東北大學(xué)（Tohoku University）的研究人員開(kāi)展了系列實(shí)驗(yàn)，以研究集胞藻（Synechocystis?sp.）菌株P(guān)CC6803的機(jī)械力敏感（MS）通道對(duì)滲透壓變化的響應(yīng)。在先前的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員設(shè)計(jì)了一種集成液體交換和力測(cè)量功能的封閉式微流控芯片來(lái)研究集胞藻在滲透壓變化下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。研究結(jié)果顯示，在該微流控芯片中，液體交換時(shí)間約為0.5 s，與其它已有研究中集胞藻對(duì)滲透壓變化的響應(yīng)時(shí)間（約為20 ms）相比，其響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。因此，該項(xiàng)研究并且沒(méi)有完全捕捉到細(xì)胞的精確響應(yīng)過(guò)程。

為了解決以上問(wèn)題，該研究團(tuán)隊(duì)在先前研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了一種測(cè)量單細(xì)胞瞬態(tài)響應(yīng)的新方法，該方法利用一種集成了具有雙泵系統(tǒng)的探針、微流控芯片、光鑷、外置機(jī)械臂和外置壓電執(zhí)行器等組件的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以極高的時(shí)間分辨率測(cè)量細(xì)胞對(duì)滲透性沖擊的瞬態(tài)響應(yīng)。相關(guān)研究成果近期以“Integration of Microfluidic Chip and Probe with a Dual Pump System for Measurement of Single Cells Transient Response”為題發(fā)表在Micromachines期刊上。

圖1 （a）實(shí)驗(yàn)裝置及具有雙泵系統(tǒng)的探針和探針尖端的圖像；（b）采用雙泵系統(tǒng)的探針示意圖

在該項(xiàng)研究中，為了進(jìn)行概念驗(yàn)證，研究人員首先設(shè)計(jì)了雙管移液器，并且將其與兩個(gè)壓電泵組裝在一起構(gòu)建了具有雙泵系統(tǒng)的探針，該探針允許同時(shí)進(jìn)行液體的注射和吸入。在此基礎(chǔ)上，研究人員制造了具有片上探針的微流控芯片，并且對(duì)集成的力傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)。

圖2 集成式微流控芯片圖像及制造工藝

隨后，研究人員對(duì)具有雙泵系統(tǒng)的探針性能進(jìn)行了表征，并且考察了分析位置和面積對(duì)評(píng)估液體交換時(shí)間的影響。接著，研究人員進(jìn)一步考察了注入電壓對(duì)液體交換度的影響，并且在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了施加的注入電壓，實(shí)現(xiàn)了完全的液體交換，其平均液體交換時(shí)間約為3.33 ms。

圖3 液體交換過(guò)程

圖4 分析區(qū)域位置和面積對(duì)評(píng)估液體交換時(shí)間的影響

此外，為了準(zhǔn)確評(píng)估液體交換對(duì)傳感器探針的干擾，研究人員用與集胞藻細(xì)胞具有相似楊氏模量和大小的聚二甲基硅氧烷（PDMS）珠代替了細(xì)胞，因?yàn)榫鄱谆柩跬橹榈捏w積不受滲透壓變化的影響。研究結(jié)果顯示，在傳感器探針的位移數(shù)據(jù)中幾乎不能觀察到與液體交換相關(guān)的干擾。并且，與層流法中封閉式微流控芯片內(nèi)由液體交換引起的干擾相比，具有雙泵系統(tǒng)的探針實(shí)現(xiàn)了局部液體交換，從而顯著降低了液體交換過(guò)程下的干擾，提高了力傳感器的測(cè)量精度。

圖5 注入電壓對(duì)液體交換度的影響以及液體交換對(duì)位移測(cè)量的干擾

未來(lái)，研究人員將繼續(xù)比較野生型和突變型（機(jī)械力敏感通道缺陷）集胞藻細(xì)胞在高速滲透壓變化下的響應(yīng)，以揭示機(jī)械力敏感通道的生理功能。此外，過(guò)大的壓縮力可能會(huì)損壞細(xì)胞，因此，在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，研究人員將進(jìn)一步評(píng)估壓縮力對(duì)細(xì)胞的影響。

審核編輯：劉清