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(jiǎn)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(lái)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(guò)表面親疏水的差異將微米級(jí)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(cè)。

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(duì)表面張力的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的操控，如液滴的生成及運(yùn)動(dòng)，而后者是基于對(duì)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(duì)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(guò)改變圖案尺寸或調(diào)節(jié)液滴產(chǎn)生過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，他們就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液滴尺寸及形貌的調(diào)控，對(duì)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(shì)。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(guò)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(jí)的油蓋水型液滴陣列。整個(gè)過(guò)程只需短短的5秒鐘便可制備出一萬(wàn)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(guò)上述方法將微顆粒或細(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(guò)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(zhǎng)和增殖等生命活動(dòng)。在所觀測(cè)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(lái)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(shuō)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(cè)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(shuō)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(guò)改變圖案尺寸或調(diào)節(jié)液滴產(chǎn)生過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(jiǎn)便而有效的方法制備出均勻性良好的液滴陣列，對(duì)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(guò)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(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)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(wú)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(duì)細(xì)胞的研究帶來(lái)了不便。經(jīng)過(guò)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(jiǎn)便、高效、高通量、低消耗、無(wú)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(guò)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(cè)。該方法具有許多優(yōu)勢(shì)，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(cè)試、藥物篩選及材料合成等。該研究的相關(guān)內(nèi)容已申請(qǐng)專利。

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