基于微流控芯片的细胞检测与分离技术方向，今后是否还有研究潜质？

虎威将军

通过最近几年的论文发表变化显示微流控芯片的发文数量在逐年下降，是否说明此方向已没有了研究潜力？
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卡卡

脂质体具有模拟细胞脂质膜的卓越能力，使其成为生物膜研究和自下而上合成生物学中不可或缺的工具。微流控技术为以受控方式制备巨型脂质体提供了一种有前景的工具。然而，作为巨型脂质体的前体，双重乳液（double emulsions）的微流控制备仍存在挑战，从而限制了对这一潜力的充分探索。
近日，芬兰奥卢大学（University of Oulu）和芬兰国家技术研究中心（VTT）的研究人员组成的团队提出了一种PDMS-玻璃毛细管混合微流控器件，作为一种简便而多功能的双重乳液制备工具。该器件不仅消除了选择性表面处理的需求（这是PDMS制备芯片的常见问题），而且与玻璃毛细管制备芯片相比，它还具有制造简单且可重复使用的优势。这些优势使所提出的微流控器件成为一种多功能工具，可用于形成具有不同尺寸（直径跨越两个数量级）、壳层厚度、隔室数量和溶剂选择的双重乳液。通过以双滴模式操作混合芯片，实现了鲁棒的薄壳双重乳液制备，而无需事先进行亲水/疏水处理。
此外，该研究开发了一种串联分离芯片，作为传统、耗时的基于密度的分离方法的替代方案，可在无需操作员干预的情况下，以连续且快速的方式分离出无油滴污染的纯净双重乳液。该微流控器件的适用性通过利用溶剂萃取法制备巨型脂质体得到了验证。这种用于双重乳液模板的形成和分离的微流控平台具有易于复制、灵活可靠的优点，为高通量微流控制备巨型脂质体和合成细胞铺平了道路，为仿生研究开辟了令人兴奋的途径。上述研究成果以“Facile and versatile PDMS-glass capillary double emulsion formation device coupled with rapid purification toward microfluidic giant liposome generation”为题发表于《Microsystems & Nanoengineering》期刊。
如图1所示，本研究主要包括三个部分：第一，制造用于双重乳液制备的PDMS-玻璃毛细管（混合）微流控器件并展示其多功能性；第二，通过连续分离方法纯化双重乳液样品；第三，利用所提出的平台展示巨型脂质体的制备。



图1. 本研究工作示意图

本研究提出的混合微流控器件包括一个PDMS微流控芯片（W/O乳液在此形成）和一个玻璃毛细管（双重乳液在此形成）。如图2a所示，混合芯片分两步组装。第一步是粘合两个相同的PDMS复制品，它们由3D打印模具铸造而成，然后对齐并粘合在一起以形成PDMS芯片。在第二步（图2b）中，将玻璃毛细管无缝插入PDMS芯片的出口通道。通过将具有不同尖端ID的毛细管插入PDMS芯片（图2c），可以制备各种尺寸的双重乳液。组装后的混合微流控器件如图2d所示。使用该器件制备的双重乳液如图2e所示。接着，研究人员探讨了使用这种创新方法制备双重乳液的多功能性和可控性。



图2. PDMS-玻璃毛细管混合器件

本研究的另一项成果是开发了一种片上分离方法，以解决该领域的一个实际问题。为了获得进一步研究所需的双重乳液，需要进行纯化步骤，因为制备过程中可能会产生油滴。为此，提出了一种与混合器件串联的分离芯片。这种分离方法利用流体流动曲线和双重乳液与油滴之间的密度差来净化样品中的油滴污染。所提出的片上分离方法去除了额外的片外处理步骤，从而显著提高了双重乳液通量。它还能实现快速处理、实时监控，甚至适用于双重乳液密度低于连续介质的情况。




图3. 所提出的从油滴中分离双重乳液的方法示意图



图4. 在分离芯片中成功实现了双重乳液与油滴的分离

最后，为了从双重乳液中形成脂质体，使用了溶剂萃取法，证实了所提出的微流控器件制备巨型脂质体的能力。



图5. 利用溶剂萃取法从双重乳液模板中形成巨型脂质体

综上所述，这项研究提出了一种用于脂质体制备的新型微流控器件，无需表面处理即可实现双重乳液形成、分离和溶剂萃取。实验结果表明，将PDMS芯片和玻璃毛细管组合成混合微流控器件可提供一种简便的双重乳液制备方法，消除了表面处理需求，并可获得优异的结果。这种方法还提供了多个额外优势，包括可重复使用性、设计灵活性和低制造复杂性，有效解决了与传统双重乳液形成方法相关的关键问题。混合微流控器件的多功能性体现在其能够形成多样化双重乳液的能力上，允许尺寸（范围从27 µm到1.2 mm）、壳层厚度、隔室数量和溶剂选择的变化。研究表明，在形成薄壳双重乳液的三种模式中，双滴模式是一致性最鲁棒的方式。
此外，研究人员引入了一种使用模块化芯片的高通量连续分离方法，该芯片可以与混合微流控器件集成以分离双重乳液，同时排除不需要的油滴。最终，利用溶剂萃取工艺将双重乳液模板转化为巨型脂质体。根据溶剂残留量的不同，将结果分为两种类型，从而确定了它们各自的潜在应用领域。通过提供一种易于实施和可靠的双重乳液形成和分离方法，所提出的微流控系统为可重复和可控地制备脂质体和复杂的脂质体结构奠定了基础。
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大力水手

微流体是一种在微米尺度上操纵流体的技术。它已在生命科学和生物学应用中得到广泛 应用，通常被称为芯片实验室LOC 技术。细胞制剂被加载到微芯片上并受到外力，外力可以根据特定的物理和生化特性对不同的细胞群进行细胞筛 -选。微型制造的通道、腔室和阀门构成了这些微流控细胞分选系统的核心“ 机械 ”。与 荧光激活细胞分选 （FACS) 和磁激活细胞分选 (MACS) 等传统细胞分选工具相比，微流控细胞分选的主要区别在于：
· 具有快的分拣率和较高的产量
· 较简单的操作程序、便携性和较低的成本
· 降低生物危害风险
· 提高分选样品的纯度
微流体技术的小尺寸使其容易操作细胞并实现快速检测，从而使其适合原位测试。微流体或 LOC 设备能够集成以及小型化多个实验室程序，这在不断发展的生物医学和生物技术转化研究中是非常理想的。微流控分选在分离用于生物医学和临床应用的高纯度细胞方面具有巨大潜力。目前，与 FACS 集成的微流控装置用于分离干细胞、淋巴细胞和循环肿瘤细胞 (CTC)。微流体分选可以分为两种方式。
· 主动或被动——主动分选使用某种外力场（如电场或磁场）来分离细胞。另一方面，被动分选依赖于细胞质量或密度，需要重力或一些机械力来分选不同的细胞。




图 1.主要微流体原理的示意图 - a) 流体动力学，b) 声学，c) 电泳，d) 光学，e) 磁泳，f) 过滤 。

细胞生物反应器-移液器-振荡培养箱-细胞分选-细胞分选仪阿尔法标记或未标记——细胞可以根据其固有特性进行分类，例如红细胞的血红蛋白含量使其具有固有的顺磁性，可用于在合适的磁场中将红细胞与其他细胞类型分开。另一种方法是使用带有针对特定细胞抗原的合适标签的抗体——这种方法通常是 FACS 和 MACS 技术的微型版本。




表 1。细胞分离的微流体方法总结 。
水动力分选
流体动力——由移动流体产生的力——被用于几个微流体设备中，以被动地根据细胞大小对细胞进行分类。这些装置由直的、螺旋的或弯曲的微通道组成，细胞悬浮液被注入其中，然后由于流体运动施加的惯性和阻力而分馏。当流体流过细胞表面（以及通道壁）时，它会对细胞施加惯性升力；这通过阻力或流体摩擦来抵消，阻力或流体摩擦作用与物体相对于周围流体的相对运动相反。通过顺序收缩和扩大通道直径来产生和控制升力和阻力。细胞的尺寸越大，移动细胞所需的升力越大。




电泳

细胞生物反应器-细胞筛-细胞分选-流式细胞仪-实验室仪器-阿尔法声学分选
声泳是指物体在超声波产生的声压梯度中的运动。声学微流体装置已被开发用于基于细胞的不同特性（如大小、密度、荧光等）通过以下类型的声波之一对细胞进行时空操作：
· 体声驻波：当微流体通道被超声激发到共振时，会发生体声驻波，在该共振处，应用的波长与微流体通道的空间尺寸相匹配。该声力的大小与细胞体积成正比，而该力的方向取决于细胞和流体密度。
· 表面声驻波：根据 SSAW 原理运行的设备使用安装在通道两壁上的叉指换能器沿通道底部形成驻波。
· 行进声波：这些是在流体表面发出并在换能器的帮助下传播到微流体腔的非驻表面声波。
电泳分选
这些技术涉及电场的应用，该电场导致细胞基于其表面电荷迁移；这种方法在原理上与 FACS 相似，因为它对气溶胶液滴充电以进行静电分选。电动机制有 3 种类型：
· 电泳：在均匀电场中，在直流电 (DC) 的影响下，粒子或细胞向带相反电荷的电极移动构成了电泳的基础。大多数电池都带有轻微的负电荷，因此会迁移到正极。此外，用于标记细胞的荧光或磁性探针也对电场有反应，因此可用于通过表面电荷分离细胞。
· Di-electrophoresis (DEP) – DEP， DEPArray 技术，是指细胞在非均匀电场中的运动，因为它们对交流电 (AC) 具有极-化性。不是表面电荷，而是细胞相对于液体的电渗透性决定了对 AC 的响应。细胞的相对渗透性取决于细胞的大小和其他特性在微流体规模上，通过将电极定位在分拣通道的位置来施加电泳力。
· 电渗：电渗流是指由于流体中溶剂化离子的电诱导迁移而引起的流体运动。这种方法减轻了施加连续电流的潜在不利影响，例如产生气溶胶或 H 2 O 2等细胞毒性副产物。




核酸电泳

实验室设备_试剂耗材_恒温振荡培养箱_移液器_生物反应器_阿尔法磁泳分选
细胞可以在磁场中通过其电磁特性进行分类。无论是在富含铁的红细胞的情况下固有的还是通过磁性纳米珠包被的特异性抗体。通过前者的磁性特征将一种细胞类型与异质群体分离需要简单的芯片设计，其中使用铁磁镍线设置磁梯度。几个种群的高通量分类需要更复杂的微流体装置；它们都具有中央流动通道的典型设计，该通道分为几个垂直的梳状侧通道，配有不同（场）强度的磁铁。细胞与磁珠包被的抗体一起孵育。不同的目标群体分别用不同大小的珠子标记。磁性颗粒的尺寸越大，偏转它们所需的磁场越强。所以，根据它们携带的颗粒大小和通道磁场强度，可以将这些多个种群分类到不同的侧通道中。
光学分选
细胞的光学操作和分选需要聚焦的激光束，由于细胞与其周围流体的折射率之间存在差异，该激光束可以捕获细胞。折射率的差异导致光散射，将细胞推离光源；同时，辐射压力的梯度将细胞吸引到高强度或大聚焦点。当梯度克服光散射时，细胞向MAX值移动并被困在“光镊”中。光学分选原理已被用于在小型化规模上调整 FACS。微流控光镊装置也被设计用于高精度单细胞分离。不同的光镊可以根据细胞大小、荧光强度和激光功率来分离细胞。
微滤
微滤是一种全被动的分选程序，它利用细胞大小及其通过或不通过微孔的能力。小于孔的细胞可以过滤并收集在微孔中，而较大的细胞则被捕获在“筛子”中，例如，40μm 细胞过滤器或细胞筛 。微过滤装置被设计成通过使用不同目标尺寸的微孔阵列一次对多个种群进行分类。此外，可以通过用带有密度珠标记的特定抗体标记不同的细胞群来提高此过程的准确度。#细胞分选仪#
苏州阿尔法-阿尔法生物-阿尔法-阿尔法试剂-阿尔法仪器-实验室设备-科研采购  苏州阿尔法生物提供的生物反应器、细胞培养、细胞分选仪、细胞筛产品等广泛应用于抗体蛋白生产工艺、新药开发、细胞培养等生物科学研究领域。细胞生物反应器罐体容量具有多种规格可供选择，以实现灵活的多产品操作，满足不同用户需求，提高制造设施的利用率。针对特殊用户，还可以定制大型不锈钢发酵罐，细胞生物反应器。生物反应器采用PLC系列控制系统稳定、可靠。并针对特定细胞系自动优化混合和传质，使设备在有限空间内实现高效、高产能要求。

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细胞是所有机体结构与功能的基本单位.是生命活动的基本单位。因此.对细胞本质的研究对于研究细的生 命本质至关重要。在这过程中 ，对细胞的研究已从细胞总体结构和亚细胞结构深入到分子结构，尤其是不仅要从形态学上研究细胞内各部分的亚显微结构,超微结构和分子结构.也是研究生命活动,如细胞内名部分的化学成分、代谢、信号传递，以及它们之间的相互关系.从而揭示生物体的分化生长、遗传、变异等基本生命活动规律。
生物实验中，细胞培养是生物研究的基本操作单元,在无菌、适宜的温度、稳定的酸碱度和定营养条件下， 通过可模拟人体内环境的体外培养，培养细胞,保持细胞结构与功能。近几年来.国内外学者对细胞生物学的主要理论研究，如细胞全能性的揭示癌变机制与细胞衰老、细胞周期及其调控、基因表达与调控、细胞融合及某些细胞工程技术的建立等,都是与细胞培养技术不可分离的。
从实际应用来看，动物细胞培养对于药物开发、疫苗生产、肿瘤防治等医学领域的研究是个崭新而有力的新方法。
随著研究的不断深入，各种与细胞有关的检测技术不断发展，使人们可以从不同层面、不同角度获取细胞相关的重要信息。但是，细胞培养技术仍然停留在传统的瓶、微孔板形式，操作繁琐,试剂消耗大。其严重性在于，相对于细胞的微小大小，培养环境与体内环境差异较大，在客观上很难真实反映生理状态下细胞的某些生物学特性。
伴随着现代生物学研究模式的不断转变，以细胞为目标的微芯片研究受到了许多研究者的关注。微流体作为一种可以在微米级流道中对纳升或皮升量级流体进行操作的技术，是当今飞速发展的多学科高度交叉的科学技术前沿领域 之一。研究表明 ，微流体控制技术将成为细胞芯片研究中极为重要的技术平台。微流体芯片是种高度并行化自动化的集成微型芯片，可将数以万计的细胞培养和检测单元集成到几平方厘米面积上，只有纳升或皮升级。
微流体技术以其高通量、小型化集成化等优点吸引了国内外众多研究团队进行细胞芯片研发.微流控芯片不同操作单元技术组合灵活.在细胞研究中.总体控制和尺度集成的特点主要体现在以下几个方面:①芯片通道面常10-100um)与哺乳类细胞的直径相匹配;有利于细胞的操作和分析:②芯片的多维网络结构形成个相对封闭的环境，其中间结性接近于生理状态，因而容易形成类似于生理状态的细胞培养微环境:③芯片通道微尺度下传热，质谱传递速快，能提供很好的细胞研究环境，晶片可以满足高通量的细胞分析，并具有或得大量生物信息的潜力。⑤多元芯片技术的灵活组合，使得整合细胞研究成为可能，例如，组织细胞进样，培养，分离，分解和分离检测等过程匀可集成到一个芯片中。

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毕设论文就是这个，感觉前人写的都是一模一样

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我个人认为微流控芯片在细胞检测和分离方面有一个非常好的发展方向：CTC分离和检测，用于早期液体活检，这个领域目前有一些公司在做，也有社会资本参与，但还处于早期开发阶段，还有一个方向是用微流控进行人体器官模拟，这个可以用于观察细胞对药物方面的反应等。关于微流控芯片的研究论文数量下降这一现象，只是说明科研领域微流控芯片有好多技术难点已经解决，但产品上还处于开发和完善阶段。在科研上，好像微流控芯片的研究方向已经转为人体器官方面，这方面的研究论文数量非常多，但还处于研究早期，更别说产品了，可以关注下。