上圖：新技術(shù)概要。左圖：用于DNA預(yù)富集的微芯片和滑動(dòng)壁設(shè)計(jì)。右圖：用于分隔實(shí)驗(yàn)的微芯片和滑動(dòng)壁圖片，添加了藍(lán)色和黃色染料以實(shí)現(xiàn)可視化。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，法國研究團(tuán)隊(duì)最近開發(fā)了“滑動(dòng)壁”（sliding walls），作為微流控裝置中流體控制的新技術(shù)，允許半剛性或剛性壁在微流控芯片內(nèi)滑動(dòng)。在《自然：微系統(tǒng)與納米工程》（Nature: Microsystems & Nanoengineering）雜志上發(fā)表的一篇新報(bào)道中，巴黎文理研究大學(xué)（PSL Research University）Bastien Venzac和來自法國巴黎居里研究所（Institute Curie）、索邦大學(xué)（Sorbonne University）的科學(xué)家小組利用滑動(dòng)壁幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了多種流體功能。該裝置包含開/關(guān)轉(zhuǎn)換閥，用于根據(jù)壁的幾何結(jié)構(gòu)來阻塞或重新配置通道。該裝置包含一種水凝膠膜，用于將生物分子濃縮、純化并從一個(gè)通道運(yùn)輸?shù)搅硪粋€(gè)通道。該技術(shù)與軟光刻方法兼容，聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片的典型制造流程即可輕松實(shí)現(xiàn)。新方法為各種微流控應(yīng)用開辟了道路，形成了簡單的手動(dòng)裝置，可用于生物實(shí)驗(yàn)室即時(shí)檢測(cè)（point-of-care）應(yīng)用。

真正可以重新配置的系統(tǒng)一直是微流控工程師的夢(mèng)想，理想的重構(gòu)指的是構(gòu)建在模塊化單元中的智能系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)之間進(jìn)行快速重組。然而，對(duì)大多數(shù)微流控系統(tǒng)而言，通道網(wǎng)絡(luò)在微加工時(shí)就已固定，無法在實(shí)驗(yàn)時(shí)自定義重組。工程師也只能在泵送、閥門控制或利用電場和磁場外力進(jìn)行更改。為了解決微流控生產(chǎn)過程中的現(xiàn)存局限和挑戰(zhàn)，Venzac等人提出了一種微流控驅(qū)動(dòng)的新概念，稱之為“滑動(dòng)壁”。該方法與軟光刻工藝兼容，但是不需要外部設(shè)備。它可以手動(dòng)操作，并且可以集成在單個(gè)元器件中。

Venzac等人使用了多種制造方法開發(fā)滑動(dòng)壁，以將其設(shè)計(jì)在PDMS芯片的開放通道內(nèi)。驅(qū)動(dòng)過程允許研究人員可逆地打開或關(guān)閉泵送流體的通道，然后重新定向流動(dòng)以隨意配置通道網(wǎng)絡(luò)。該團(tuán)隊(duì)描述了該方法的原理，并演示了簡單的功能，包括提供四維（4D）空間的水凝膠板形成，控制細(xì)胞培養(yǎng)，然后在微流控腔室內(nèi)進(jìn)行基于膜的電動(dòng)DNA預(yù)富集。他們以低成本實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的快速成型，為簡化操作，團(tuán)隊(duì)成員既可以通過手動(dòng)方式控制滑動(dòng)壁，也可以使用計(jì)算機(jī)控制的馬達(dá)或執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)滑動(dòng)壁。新的工具箱非常適合微流控通道內(nèi)尺寸超過100 ?m的應(yīng)用，并且只需要幾個(gè)驅(qū)動(dòng)元件。

滑動(dòng)壁原理。PDMS結(jié)構(gòu)中包含一個(gè)導(dǎo)向通道和一個(gè)流體通道，并與平面PDMS表面鍵合在一起。在該示例中，帶有雕刻通道的滑動(dòng)壁會(huì)在芯片制作完成后被插入到導(dǎo)向通道。流體通道或被堵?。▓Da）或被打開（圖b）。插圖提供了滑動(dòng)壁/流體通道交叉點(diǎn)的詳細(xì)信息。

根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)原則，研究人員將剛性/半剛性結(jié)構(gòu)插入PDMS微流控芯片的導(dǎo)向通道中，并使用多種材料開發(fā)滑動(dòng)壁，包括（1）不銹鋼膜；（2）在PDMS模具中進(jìn)行光聚合的光固化抗蝕劑；（3）立體光固化成型工藝3D打?。⊿LA 3D printing）的可光固化樹脂。研究人員會(huì)根據(jù)材料自身的特性來選擇適合實(shí)驗(yàn)的工程技術(shù)，并通過控制材料剛度防止驅(qū)動(dòng)過程中滑動(dòng)壁的彎曲或斷裂，對(duì)大多數(shù)薄的滑動(dòng)壁而言，不銹鋼為其首選。針對(duì)較大的滑動(dòng)壁，他們使用傳統(tǒng)的SLA工藝，并在不銹鋼上使用微銑削，以在滑動(dòng)壁上加入小功能。

在最初的概念驗(yàn)證階段，Venzac等人準(zhǔn)備了兩種類型的微閥，開/關(guān)閥和帶一個(gè)入口、兩個(gè)出口的金屬開關(guān)閥?；瑒?dòng)閥因其在器官芯片裝置和細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)構(gòu)中的實(shí)用性而引起了人們極大的興趣。研究人員還展示了使用滑動(dòng)壁作為芯片上的注射器來手動(dòng)泵送流體，在實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到在推動(dòng)或吸入空氣時(shí)液體會(huì)發(fā)生泄漏?；瑒?dòng)壁對(duì)較大腔室結(jié)構(gòu)而言非常有用，研究團(tuán)隊(duì)在腔室頂部和底部增加了兩個(gè)窄槽以引導(dǎo)垂直的不銹鋼滑動(dòng)壁，并調(diào)節(jié)各腔室之間的連通。

上圖：閥門控制實(shí)驗(yàn)：a）用芯片和基于光固化抗劑蝕的滑動(dòng)壁設(shè)計(jì)進(jìn)行的開關(guān)閥實(shí)驗(yàn)；b）開關(guān)閥實(shí)驗(yàn)用芯片和金屬滑動(dòng)壁的設(shè)計(jì)；c）導(dǎo)向通道、滑動(dòng)壁高度和寬度不同比率下（每個(gè)條件展開三次實(shí)驗(yàn)），基于抗劑蝕（黃色系列）和基于金屬滑動(dòng)壁（灰色系列）所能承受的最大壓力；d）載有熒光素的水流經(jīng)過開路（13??l/s）時(shí)開關(guān)閥的熒光圖像。

下圖：泵送實(shí)驗(yàn)：a）芯片設(shè)計(jì)；b）通過1??l腔室泵送載有熒光素的水的連續(xù)照片?；钊奈恢糜眉t色虛線表示；c）液體移位與絕對(duì)活塞移位（活塞原點(diǎn)設(shè)置在第一個(gè)腔室開始填充時(shí)），用于推（藍(lán)色）拉（紅色）時(shí)，在四個(gè)不同裝置上的平均值。

該團(tuán)隊(duì)最終使用新裝置進(jìn)行了生物功能化測(cè)試，并觀察了4D細(xì)胞培養(yǎng)和細(xì)胞遷移。在實(shí)驗(yàn)中，他們將熒光膠原蛋白溶液裝在腔室的右半部分，把緩沖液裝入左半部分，然后把兩者混合成水凝膠板。這種水凝膠是開發(fā)3D器官芯片腔室的主要材料。為了測(cè)試其生物學(xué)功能，Venzac等人研究了將樹突狀細(xì)胞（免疫細(xì)胞）裝載到腔室內(nèi)的膠原蛋白溶液中后的細(xì)胞遷移情況。該團(tuán)隊(duì)用趨化因子溶液填充了第二個(gè)腔室，并移除了不銹鋼滑動(dòng)壁，創(chuàng)建出一個(gè)筆直的界面，使趨化劑擴(kuò)散到膠原蛋白板上，樹突狀細(xì)胞遷移到凝膠/溶液界面上以形成4D細(xì)胞培養(yǎng)。

分隔實(shí)驗(yàn)：a）芯片和金屬滑動(dòng)壁的設(shè)計(jì)；b）密封測(cè)試俯視圖。左圖：腔室的明場圖像。右圖：8小時(shí)后腔室的熒光圖像；c）在腔室內(nèi)部的滑動(dòng)壁上放置一個(gè)200??m的孔后，Tris-EDTA緩沖室中的熒光素梯度。滑動(dòng)壁和孔的極限用虛線表示。顏色線對(duì)應(yīng)強(qiáng)度大于最大值12%的圖像表面（壁后位移：白色：1秒、紅色：4秒、黃色：9秒、綠色：14秒、青色：50秒、藍(lán)色：110秒、紫紅色：170秒）；d）移除滑動(dòng)壁后，右半腔室底部的熒光凝膠狀膠原蛋白板的深度編碼共聚焦圖像的俯視圖；e）移除滑動(dòng)壁之前（0-30分鐘）和移除滑動(dòng)壁之后（30-240分鐘），膠原蛋白板中的樹突狀細(xì)胞的軌跡分兩個(gè)階段分解。第一階段細(xì)胞沒有被優(yōu)先遷移（30-120分鐘），在120-240分鐘被吸引到趨化因子室。水平軸以微米為單位，垂直軸指向遠(yuǎn)離趨化因子室的方向。

團(tuán)隊(duì)成員還通過電動(dòng)預(yù)富集DNA大分子，在新裝置中控制它們的運(yùn)輸和釋放。為此，該團(tuán)隊(duì)在微流控系統(tǒng)中使用了一種可移動(dòng)且可重構(gòu)的水凝膠膜，并利用高分辨率3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了帶有集成窗口的滑動(dòng)壁。他們?cè)谕ǖ乐惺┘雍愣ǖ碾妶?，以允許緩沖液中電泳遷移帶有熒光標(biāo)簽的DNA。水凝膠孔的尺寸能阻止DNA的遷移，導(dǎo)致它們?cè)谀ど项A(yù)富集。科學(xué)家們?cè)谘b置中引導(dǎo)預(yù)富集DNA的自由流動(dòng)，從而將樣品從一個(gè)通道轉(zhuǎn)移到另一個(gè)通道，這是一種簡單的全新樣品制備和分析方法。

DNA預(yù)富集和純化實(shí)驗(yàn)。a）芯片和滑動(dòng)壁的設(shè)計(jì)；將PEGDA膜（粉紅色）光聚合在滑動(dòng)壁的窗口中。彩色箭頭用相應(yīng)的彩色邊框指示下列圖片的位置；b）將100?pg 的Lambda-DNA電泳到3D打印滑動(dòng)壁的PEGDA膜上進(jìn)行預(yù)富集；c）圖b）的黃色長方形內(nèi)平均灰度值隨時(shí)間的變化；d）DNA在PEGDA膜上預(yù)富集過程的熒光圖像；e）移至第二通道后和圖f）電泳釋放后。（比例尺：250??m）黃色箭頭表示DNA的遷移或位移方向。

Bastien Venzac及其同事用這種方式開發(fā)了一款新的工具箱，以革新傳統(tǒng)微流控裝置的使用?；瑒?dòng)壁還具備其它功能，如微通道或載有凝膠的窗口，以及超越傳統(tǒng)芯片微閥的潛在應(yīng)用解決方案。值得注意的是，他們利用單個(gè)滑動(dòng)壁裝置即可實(shí)現(xiàn)4D細(xì)胞培養(yǎng)和DNA預(yù)富集?？茖W(xué)家們的愿景是該技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于低成本、低技術(shù)含量的生物醫(yī)學(xué)環(huán)境。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41378-019-0125-7