在新型微流控芯片中利用粘弹性流体提取高纯度血浆

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

粘弹性流体，是一种非牛顿流体，广泛存在于我们生活当中，例如牛奶、蜂蜜、牙膏、胶水……顾名思义，粘弹性流体是既具有粘性，又具有弹性的流体。近日，澳大利亚伍伦贡大学的李卫华教授领导的团队将这种粘弹性流体特性应用到了生物医学上，在他们研制的微流控芯片中实现了高纯度血浆分离。

血浆富含各种疾病的生物标志物：循环核酸（CNAs）、蛋白质、代谢物、病毒……所以将血浆从全血中分离出来在生物医学中具有非常重要的意义。例如，CNAs或一些蛋白质与癌症患者的病理学相关，它们可作为评估恶性肿瘤治疗有效性的诊断工具；CNAs还可以用于非侵入性诊断或测试。由于血细胞的存在对这些生物标志物的精确检测和进一步分析具有很大的干扰，所以要求分离出的血浆具有很高的纯度。

离心和过滤是最传统且广泛应用的两种血浆分离方法，但是它们具有一定的局限性。比如离心法耗时耗力，需要专门的技术人员操作，高速的离心旋转可能会裂解血细胞，甚至会对血浆中的目标分析物造成损害，而过滤法有严重的堵塞问题。

为了克服这些局限，由伍伦贡大学机械、材料和机电工程学院李卫华教授领导的团队研制开发了一种新型微流体芯片，首次利用粘弹性流体特性，实现了连续及高纯度的血浆提取。使用的微流体芯片为具有不对称的膨胀-收缩腔阵列的微通道（ECCA 通道）。为了使血液具有合适的粘弹性，在血液添加一定浓度的溶解的聚（环氧乙烷）PEO聚合物。将溶解了PEO的血液注入微通道后，血细胞在此管道中受到二次流耦合的粘弹性-惯性力而聚焦。所有血细胞，包括血小板、红细胞和白细胞，都可以聚焦到微流道的一侧，从一个出口流出，过滤掉血细胞的血浆则可以在另一个出口收集。

这是第一次利用粘弹性流体的特性实现血浆提取，分离血浆纯度高达99.99%。该方法具有结构简单、成本低、不堵塞的优势，可用于各种疾病或癌症诊断和预后，提取的血浆的高纯度特性保证了后续血浆中生物标志物的准确检测。

这一成果近期发表在《Lab on a Chip》上，并被选为封面文章。文章的第一作者是伍伦贡大学博士生袁丹。她的导师是伍伦贡大学机电工程学学科负责人、工程制造研究中心主任、高级教授李卫华。其他作者包括张俊、Ronald Sluyter、赵乾斌、闫昇和Gursel Alici。

该论文作者为：Dan Yuan, Jun Zhang, Ronald Sluyter, Qianbin Zhao, Sheng Yan, Gursel Alici, Weihua Li*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Continuous plasma extraction under viscoelastic fluid in a straight channel with asymmetrical expansion–contraction cavity arrays

Lab Chip, 2016, 16, 3919-3928, DOI: 10.1039/C6LC00843G

李卫华教授简介

李卫华(Weihua Li)，1969年出生，现是澳大利亚伍伦贡大学机电工程系系主任，高级教授。本科、硕士研究生曾就读于中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，获新加坡南洋理工大学博士学位。

研究领域：微纳流控技术；磁流变材料与应用； 动力学和振动控制；流变学；智能机电；车辆技术。发表论文300余篇。担任IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Smart Materials and Structures, Scientific Reports等十余种国际杂志的副主编与编委。自2004年以来，获得来自包括ARC、CSIRO、DSTO、NSFC、香港ITC等多个研究机构超过600万澳元的研究资助/奖励。当选澳大利亚工程师学会会士、英国物理学会会士。获得澳大利亚Endeavour Fellowship、日本JSPS Fellowship、中澳国际交流奖、伍伦贡大学校长奖以及多次国际会议最佳论文奖。

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是提取高纯度的血浆。目前提取血浆的方法除了传统的离心或过滤法，还有新兴的微流控芯片方法。然而现有的微流控芯片方法都是基于牛顿流体的特性，需要借助外界的力场或复杂的管道设计来实现粒子聚焦，而我们发现广泛存在于我们生活中的非牛顿流体在微流控芯片中对粒子或细胞具有更好的聚焦作用。非牛顿流体其本身具有的粘弹特性，使其对粒子和细胞的聚焦不需要外界的力场和复杂的管道设计。而且非牛顿流体的制备又非常简单。因此，我们利用血细胞在含有粘弹性流体的具有不对称的膨胀 - 收缩腔阵列的直通道（ECCA 通道）中受到二次流耦合的粘弹性-惯性力而聚焦的特性，实现了连续的，高纯度血浆提取。其在生物医学领域，疾病或癌症诊断和预后方面有着重要的意义。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：本项研究中最大的挑战是如何控制粘弹性流体中血细胞受到的各种力的平衡，使其在粘弹性流体中达到最好的聚焦效果。流体的流速不同，流体中大分子聚合物的浓度不同会导致血细胞在ECCA管道中受到不同的二次流影响，弹性力和惯性力的影响， 所以如何调节他们的大小及各个力相对的比重是实现高纯度血浆提取的关键。

此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要不少生物医学，化学方面的背景知识，而我们的团队主要来源于机电专业，在生物医学、化学方面存在知识储备不足的挑战，因此我们与澳大利亚伍伦贡大学Illawara健康和医学研究所和生物科学学院合作，希望将研究推到更高的层次。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：本研究实现了高纯度的血浆提取，分离血浆纯度高达99.99%。血浆的高纯度特性可以保证血浆中生物标志物的准确检测。该方法简单，成本低，不存在堵塞问题。我们相信该项研究成果在各种疾病或癌症诊断和预后方面有很好的应用前景。