用于生物医学应用的单细胞液滴微流体

单细胞操作和分析对于许多基本生物过程的研究和揭示细胞异质性至关重要，并在生物医学领域具有极其有价值的应用潜力，包括神经科学、再生治疗、早期诊断和药物筛选。在单细胞操作和分析中使用微流体技术是最有前景的方法之一，它能够创造出使用传统方法不切实际或不可能实现的创新条件。本文概述了单细胞液滴微流体技术的发展。强调了微流控液滴技术的显著优势、影响液滴产生的动态参数以及微流控装置的几何结构。此外，总结了迄今为止基于微流体和各种微流体工具的被动和主动液滴生成方法在生产单细胞液滴和水凝胶微球方面的进展。讨论了它们与单细胞液滴和水凝胶形成相关的关键特征、成就和局限性。还探索了单细胞液滴微流体在生物医学中的最新普及应用，包括小分子检测、蛋白质分析、药物筛选和单细胞遗传分析。最后，强调了实现单细胞液滴微流体未来应用所必须克服的挑战。

具有不同结构和功能的细胞相互作用形成复杂的生物体。由于其功能的多样性，活生物体中的细胞在细胞大小、形态、生长速率和生物分子表达方面具有明显的异质性。这些差异通常在活生物体的生长、分化和发育中起着至关重要的作用。单个细胞的大小非常小（约1-15μm），单细胞分泌的水平非常低，这意味着检测单细胞分泌分子需要高度的灵敏度。传统的细胞分析方法通常依赖于使用细胞群。虽然这可以保证检测物质的足够含量，但它会掩盖少量异常细胞产生的数据信号，导致重要信息的丢失。单细胞分析不仅克服了细胞群分析中小样本异常细胞数据丢失的问题，而且可以更准确地揭示细胞之间的差异。因此，它已成为生物和生物医学研究的一个重要新兴领域。单细胞水平的细胞分析是检测细胞异质性和分化的有效方法，也有助于理解细胞行为和代谢活动，从而能够全面分析组织、器官甚至整个生物体的行为。

单细胞分析对于理解细胞多样性和发现疾病发展过程中形成的异常细胞具有巨大的前景。单细胞技术已应用于许多生物医学领域，包括神经科学、干细胞生物学、疾病早期诊断、和药物筛选。需要高通量单细胞分析来准确描述并最终阐明生物体中细胞异质性的根本原因。单细胞分析的经典方法包括流式细胞术、原子力显微镜、光学和磁性推特、单分子荧光光谱等。然而，每种方法都有局限性：例如，尽管传统的流式细胞术是自动化的，可以在单细胞分析中实现高通量、高效的细胞分选，但它需要使用昂贵的仪器和复杂的细胞表面标记，并且样品预处理时间长，细胞存活率低，样品污染的风险大。此外，其他方法可以精确操纵单细胞，但或多或少会受到高成本、复杂操作和低检测通量问题的困扰。

由于试剂消耗低、检测灵敏度高、大规模子系统集成等优点，微流体已成为生命科学中广泛使用的技术，并已被证明是高效单细胞分析的有力工具。微流体技术在单细胞分析方面的基本能力是操纵单细胞，例如实现单细胞捕获。微流体单细胞捕获技术实施了多种捕获策略，包括微孔、微图案、微滴和微片。用于单细胞捕获的微孔具有操作和制造简单的优点，可以形成高度均匀的单细胞阵列。然而，微孔方法通常要求试剂分布在整个阵列中，这使得有必要实现液体流的瞬时部署，从而阻碍了对快速细胞反应的动态监测。尽管用于单细胞捕获的微图案具有微孔的一些优点，但它们需要复杂的预处理，这增加了操作时间和成本。Microtraps可用于快速方便地生产高通量、高密度的单细胞阵列；然而，在捕获过程中，细胞通常会受到液体流动和芯片结构的挤压，这可能会对其造成潜在的损害。液滴微流体是一种有前景的新技术，用于研究尺寸从几微米到几百微米的微滴的产生、操纵和应用。与上述其他方法不同，微滴技术可以将单个细胞包封在单分散液滴中，以实现高通量分析和精确控制局部细胞外环境。微液滴技术还具有高度的可重复性、样品和试剂的低消耗、快速的反应速度和易于实现的精确可控性。单细胞液滴微流体已被广泛应用于许多生物实验中，包括细胞培养、聚合酶链式反应（PCR）、蛋白酶活性检测、细胞排列和分选，并已成为生物医学中高通量单细胞操作和分析的重要平台。

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