梯度流变微流控芯片，用于分选高质量精子

据世界卫生组织（WHO）估计，全球约有7000万对夫妇面临不孕症问题，其中有大约一半的问题归因于男性不育症。这种情况可能是由先天缺陷、后天易感性或多种因素共同导致的。例如，营养缺乏、生活压力、慢性炎症和暴露在具有特定毒素的环境中都会降低精子的数量和质量。幸运的是，在大多数情况下，许多辅助生殖技术（ARTs）可以显著提高受孕的几率。然而，无论采用哪种辅助生殖技术，分选高质量精子可能是最终影响体外受精（IVF）或卵胞浆内单精子注射（ICSI）成功率的最关键步骤之一。

自然受孕（体内）和体外受精/卵胞浆内单精子注射过程（体外）之间存在一些差异。在体内，精子在整个受精过程中都不会离开身体。人类精子必须游动很长一段距离（2 ~ 6厘米），克服许多障碍才能到达卵母细胞。虽然经过“长途跋涉”，精子的数量会大大减少，只有少数具有渐进式运动能力的精子能够到达卵母细胞，但经过“长途跋涉”的历练，最终精子的质量是非常合格的。

体外受精过程也需要精子预分选步骤来提高受精率。为了达到这一目的，两种传统的精子分选方法，游动法和密度梯度离心法，在大多数医院被广泛使用。这两种方法在临床上已经应用了几十年。迄今为止，游动法由于精子回收率较低而受到限制，而基于离心的密度梯度分选法并不能够完全令人满意，并且已经被证明会在精子分选过程中产生更高比例的DNA碎片。受精的成功不能仅仅归功于注入雌性体内的有活力的、形态正常的精子的绝对数量，而更重要的是它们的功能性。因此，亟需开发出低危害和高质量的精子分选新方法。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自台湾阳明交通大学与台湾艾微芙国际生殖医学中心的研究人员基于流变性表征开发了一种渐进式精子分选芯片（PSSC），该渐进式精子分选芯片将仿生微流控芯片与稳定的重力驱动流相结合，用于更高质量的运动精子分选（图1）。与传统的精子处理技术相比，利用该渐进式精子分选芯片分选出的精子显示出更好的游动参数，更健康的精子形态和更高比例的DNA完整性。相关研究成果以“Design of a gradient-rheotaxis microfluidic chip for sorting of high-quality Sperm with progressive motility”为题，发表在iScience期刊上。

该渐进式精子分选芯片由8个深度为100 μm的捕获通道组成。研究人员在每个捕获通道中都设计了三角形扩展结构，从而形成窄入口和宽出口。因此，该芯片的初始区域流速较快，末端区域流速逐渐减小。为了优化捕获区域的三角形扩展结构的角度，实现精子的渐进式分选，研究人员对具有不同三角形扩展结构角度的捕获通道进行了测试和总结。考虑到高通量和观察便利性的需要，研究人员最终确定捕获通道中三角形扩展结构的最佳角度为40° ~ 50°。

图1 渐进式精子分选芯片（PSSC）的结构和工作流程示意图

该渐进式精子分选芯片的工作原理是在精子的生理范围内增加流速，从而使得精子在游动中产生方向性，并且提高分选过程的效率。大多数传统的基于流变的精子分选器件只能用于分析微流控芯片上的精子运动参数，而不能将精子从芯片上去除。此外，一些微流控芯片被设计成从废液出口收集运动精子。然而，微流控通道表面往往会粘上死亡的精子和其它细胞碎片，因此，如果分选后的精子样品从废液出口进行收集会影响其纯度。所以，该研究中设计的微流控芯片从前端回收分选后的精子样品，以提高其纯度。

实验结果表明，利用该渐进式精子分选芯片分选获得的精子的直线速度（大于25 μm/s）和线性度（平均大于0.9）都有了很大的提高。此外，该渐进式精子分选芯片分选获得的精子中有超过97%是具有渐进式运动能力的精子，而传统的游动法和梯度密度法的这一比例分别只有38%和22%。而与未经处理的精子相比，使用该渐进式精子分选芯片分选获得的精子中未发现异常精子。此外，分选获得的精子中出现DNA碎片的比例较低（< 5%）。同时，分选时间可缩短至5分钟，并且整个过程不使用任何标记和外源性化学品。

图2 不同精子分选方法的分选效率及其分选获得的精子的直线速度和线性度的比较

图3 各种分选方法获得的精子形态与DNA损伤的比较

总体而言，与其它传统的分选方法相比，该梯度流变微流控芯片能够特异性地选择出具有渐进式运动能力的优质精子，在不久的将来可能会在临床上应用于不孕症的治疗。

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