集成微流控芯片技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)和生物物理學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力，它能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞分離、捕獲以及檢測單細(xì)胞等多種功能。液體的交換和微流控芯片的集成也起著關(guān)鍵性作用，這使得研究者能夠精確調(diào)控細(xì)胞外環(huán)境，并同步刺激與檢測單個細(xì)胞，從而實時觀察到細(xì)胞響應(yīng)的細(xì)致與動態(tài)變化。為了精確測量細(xì)胞在刺激下的瞬態(tài)反應(yīng)，高速液體交換和精確的測量技術(shù)也變得至關(guān)重要。

在本研究中，來自日本名古屋大學(xué)、東京大學(xué)和東北大學(xué)的團(tuán)隊研發(fā)了一種集成了微流控芯片和雙泵探針的系統(tǒng)來測量單個細(xì)胞瞬態(tài)響應(yīng)的新方法。該系統(tǒng)由雙泵探針、微流控芯片、光學(xué)鑷子、外部機械臂、外部壓電執(zhí)行器等組成。研究團(tuán)隊將雙泵探針集成在一起，以實現(xiàn)高速液體交換，并通過局部流控制技術(shù)，確保芯片上的單個細(xì)胞接觸力檢測幾乎不受干擾。借助該系統(tǒng)，研究團(tuán)隊能夠以很高的時間分辨率精確測量細(xì)胞對滲透性沖擊的瞬態(tài)響應(yīng)。

相關(guān)研究以“Integration of Microfluidic Chip and Probe with a Dual Pump System for Measurement of Single Cells Transient Response"為題發(fā)表在國際著名期刊《Micromachines》上。

首先，團(tuán)隊設(shè)計了雙管移液器，并與兩個壓電泵組裝成了一個能夠同時進(jìn)行液體注射和抽吸的雙泵探針系統(tǒng)。該探針尖部由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch® S130，精度：2 μm）制備而成。然后，研究人員制備了帶有探針的微流控芯片，并對集成的力傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)。

圖3. (a) 力測量過程的概念；(b) 探針和力傳感器的圖像；(c) 作為彈簧力傳感器的空心折疊梁結(jié)構(gòu)；(d) 力傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和理論值示例（藍(lán)色點表示校準(zhǔn)后使用力傳感器測量的數(shù)據(jù)，橙色曲線表示理論值）；(e) 通過測量傳感器探針位移數(shù)據(jù)的3σ來評估力傳感器的穩(wěn)定性。D0: 原始細(xì)胞直徑；δs, δp: 傳感器和探針的位移；L: 梁結(jié)構(gòu)的長度；σ: 標(biāo)準(zhǔn)偏差。

接下來，研究團(tuán)隊對雙泵探針系統(tǒng)的性能進(jìn)行了細(xì)致的表征，并深入研究了分析位置和面積對液體交換時間的影響。此外，團(tuán)隊還通過優(yōu)化注射電壓，確保了液體濃度變化的完整性，使得平均液體交換時間縮短至約3.33毫秒。實驗結(jié)果表明，力傳感器在液體交換過程中僅受到輕微干擾。利用這一系統(tǒng)，團(tuán)隊成功測量了滲透壓沖擊下Synechocystis sp. PCC 6803菌株的變形和反應(yīng)力，平均響應(yīng)時間約為16.33毫秒，從而揭示了在毫秒級滲透壓沖擊下壓縮的單個細(xì)胞的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖4. (a) 使用光學(xué)鑷子系統(tǒng)捕獲并定位單個細(xì)胞在兩個芯片探針之間；(b) 使用外部壓電執(zhí)行器壓縮目標(biāo)細(xì)胞；(c）利用3D機械臂將探針尖部移動到預(yù)定位的位置；(d) 從注射桶注入LOC溶液，同時從抽吸桶抽吸探針尖部下方的液體，此時細(xì)胞外環(huán)境從HOC溶液變?yōu)長OC溶液；(e) 外部壓電執(zhí)行器釋放探針，并將探針尖部沿垂直方向遠(yuǎn)離芯片表面。

圖5. 分析區(qū)域的位置和面積對評估液體交換時間的影響。(a) 測量區(qū)域的顯微鏡圖像。不同顏色的圓圈表示用于分析灰度級的位置，相鄰的圓圈描述了相應(yīng)的液體交換時間。(b) 分析區(qū)域的位置對評估液體交換時間的影響。擬合曲線的顏色與分析區(qū)域的顏色相對應(yīng)。（c）分析在直徑為2、4和6 μm的同心圓形區(qū)域（綠色圓圈）中液體交換期間灰度值的變化。

此外，為了準(zhǔn)確評估液體交換對傳感器探針的干擾，研究團(tuán)隊用與Synechocystis sp. PCC 6803菌株具有相似楊氏模量和大小的聚二甲基硅氧烷（PDMS）珠代替了細(xì)胞，因為聚二甲基硅氧烷珠的體積不受滲透壓變化的影響。研究結(jié)果顯示，在傳感器探針的位移數(shù)據(jù)中幾乎不能觀察到與液體交換相關(guān)的干擾。并且，與層流法中封閉式微流控芯片內(nèi)由液體交換引起的干擾相比，具有雙泵探針系統(tǒng)實現(xiàn)了局部液體交換，從而顯著降低了液體交換過程下的干擾，提高了力傳感器的測量精度。

圖6. 注入電壓對液體交換程度和液體交換對位移測量的干擾的影響。(a) 注入電壓對液體交換程度的影響。當(dāng)注入電壓超過20伏時，灰度值的變化趨于穩(wěn)定，這意味著細(xì)胞外溶液已交換；(b) 液體交換期間灰度級變化和相應(yīng)的傳感器探針干擾。

綜上所述，研究團(tuán)隊開發(fā)了一個集成了微流控芯片和雙泵探針的系統(tǒng)，用于研究單個Synechocystis細(xì)胞的瞬態(tài)響應(yīng)。該系統(tǒng)能在芯片表面局部快速地進(jìn)行液體交換，且對周圍環(huán)境干擾極小。系統(tǒng)的平均液體交換時間約為3.33毫秒，比之前的成果快了100倍以上，甚至比細(xì)胞對滲透壓變化的響應(yīng)時間還要快，這使得能夠更精確地揭示單個細(xì)胞的瞬態(tài)反應(yīng)。由于MS通道能夠感知膜張力，細(xì)胞的壓縮或膨脹揭示了MS通道的特征。本研究的成果證明了所開發(fā)系統(tǒng)在準(zhǔn)確研究單個細(xì)胞響應(yīng)方面的有效性，并為生物物理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的未來研究提供了有益的見解。