高通量表面张力限制液滴阵列微流控

随着微流控技术的迅猛发展，微流控领域出现了众多具有创新意义的新技术，如表面张力限制的液滴微流控技术。表面张力限制的液滴微流控技术在生物医药和材料合成等方面具有非常广泛的应用，使用简便而有效的方法制备出均匀性良好的液滴阵列也是近年来的研究热点之一。近日，上海大学的巫金波教授团队通过表面亲疏水的差异将微米级尺寸的液滴固定在基片表面，制备出不同形状、尺寸的液滴阵列，并利用液滴阵列进行单细胞的培养与观测。

传统的液滴微流控技术多是基于复杂的三维立体通道结构的微流控芯片，制备工艺复杂、仪器精度要求高且价格昂贵。表面张力限制的液滴微流控技术与传统液滴微流控技术最大的不同点在于前者基于对表面张力的控制，从而实现对液滴的操控，如液滴的生成及运动，而后者是基于对三维微通道结构的设计，从而实现液滴的分裂、运动及融合。相应地，基于表面张力的液滴微流控技术只需要对平台表面进行选择性的化学改性或者物理作用，使平台表面的不同区域对液体的表面张力发生变化，产生具有亲疏水性的通道或阵列图案。通过改变图案尺寸或调节液滴产生过程中的各项参数，他们就能够实现对液滴尺寸及形貌的调控，对需要精确定量的化学或生物反应而言是巨大的优势。但就目前发展情况而言，这一技术仍存在一定的挑战和困难——微小体量的液滴挥发速率极快，如何确保液滴体积的稳定性并利用液滴阵列进行材料的合成或细胞培养仍需要进一步的探索。

上海大学的巫金波教授团队在具有疏水性质的基片表面构建了亲水图案，当把水溶液（如荧光溶液、细胞培养液等）和油液依次分别添加到基片表面时，通过滑动玻璃盖片的方法，亲水区域的水溶液会得到保留，而疏水区域会被油液所侵占，从而成功地制备出形状规则、尺寸均一、排布整齐的皮升量级的油盖水型液滴阵列。整个过程只需短短的5秒钟便可制备出一万多个体积为31皮升左右的液滴，液滴生成的通量达到3 kHz。他们还用油液覆盖液滴阵列，一方面使阵列中的液滴之间相互隔离，另一方面有效地阻止了液滴的蒸发。进一步的研究发现，油盖水液滴阵列可在室温下存储两天以上，为基于液滴的应用提供了必要的条件。因此，人们可以通过上述方法将微颗粒或细胞封装到液滴阵列中。

图1. 油盖水型液滴阵列制备步骤的示意图

大肠杆菌是人和动物肠道中的正常栖居菌，通过调整细菌培养液中大肠杆菌的浓度可制备出液滴中含有单个大肠杆菌的油盖水型液滴阵列。在36小时的培养期间，液滴中的大肠杆菌表现出十分强的活性，并顺利地进行生长和增殖等生命活动。在所观测的液滴中，经36小时的培养后液滴中大肠杆菌的数量由原来的1个或3个分别增加到47个或68个左右。大肠杆菌在液滴中成功的增殖说明上述液滴阵列在单细胞培养等领域具有重大的应用价值，如可进行高通量的细胞毒性测试、药物筛选及材料合成等。

图2. 液滴中大肠杆菌的数目随时间变化的图像

该论文作者为：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：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：表面张力限制的液滴微流技术通常需要在疏水性基底表面构建亲水性图案，通过改变图案尺寸或调节液滴产生过程中的各项参数，就能够实现对液滴尺寸及形貌的调控。但就目前发展的情况而言，这一技术仍存在一定的挑战和困难：一方面，想要制备出排布整齐、尺寸均一以及形状规则的液滴阵列仍具有较大的难度；另一方面，要想改变液滴的尺寸，亲疏水图案化基底需要重新进行设计和制备，由此将增加额外的损耗和步骤；最后，微小体量液滴的挥发速率极快，如何确保液滴体积的稳定性并利用液滴阵列进行材料的合成或单细胞的培养仍需要进一步的探索和研究。因此，使用简便而有效的方法制备出均匀性良好的液滴阵列，对推广液滴微流控的实际应用具有重大的意义。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：遇到的第一个挑战是如何控制液滴的形貌与尺寸，液滴的尺寸与形貌主要与模板通孔尺寸、等离子体的溅射时间以及基底的性质等因素相关，精确控制液滴的尺寸需要通过大量的实验来实现。遇到的最大的挑战是如何利用液滴阵列进行细胞的捕获与培养，当采用普通的玻璃基底时，细胞不仅会出现在液滴中，也会出现在液滴之外，且无法制备出大量均匀性良好的含有细胞的细胞培养液液滴阵列，为针对细胞的研究带来了不便。经过逐步的探索与研究，我们发现使用PDMS作为基底是绝佳的选择，从而实现了单细胞的培养。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：所提出的制备油盖水型液滴阵列的方法具有简便、高效、高通量、低消耗、无需额外精密仪器等优点，液滴生成的通量达到3 kHz，且通过该方法实现了微颗粒的封装以及单细胞的捕获、培养与动态观测。该方法具有许多优势，在实际应用中表现出色，在生物和化学领域具有广阔的应用前景，如可进行高通量的细胞毒性测试、药物筛选及材料合成等。该研究的相关内容已申请专利。

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