惯性迁移助力稀有细胞富集

近年来，随着仪器小型化趋势的发展，微流控芯片在微观粒子（细胞、细菌、外泌体等）操控方面展现了巨大的优势并有望通过液体活检等技术应用于临床医疗研究，从而缓解癌症患者在病症治疗过程中受到的疼痛。传统的主动粒子操控技术基于外界场效应，如电场、声场、磁场等，这些方法的样本处理时间长，且芯片制造复杂，不利于大规模生产及临床应用。不基于外场的被动粒子操控技术如确定性侧向位移、微过滤等技术虽然原理简单，但依然面临着通量低、易堵塞等问题。因此，高通量、高纯度、高回收率、高稳定性的粒子分选成为了微流控芯片向临床诊断转化的关键因素。近日，清华大学团队通过一种带有缩扩结构的螺旋形微流控芯片很好地解决了这个问题。基于这一方法，研究人员实现了不同尺寸粒子的分选，并完成了循环肿瘤细胞从外周血中的富集。

相较于其他操控方法，惯性微流控技术将宏观流体的二次流等效应沿用至微观流道中，这样的方法流道简单，通量极高，对生物微粒无害，且易于大规模的生产。然而，在目前备受关注的基于螺旋形的流道结构中，粒子的迁移效应是由迪恩曳力和惯性升力共同决定的，惯性升力在流道的不同位置会表现不同的大小及方向。因此，基于单一的螺旋形流道面临着分选效果对流道结构的强依赖性问题，因此在芯片制造过程中结构稍有偏差便会影响分选效果。同时，螺旋形流道针对某一特定流速适用的特点也使其无法适应宽通量范围的处理要求。该芯片在传统螺旋形结构的基础上，加入了周期性的缩扩形结构，该结构的引入在流场中制造了多个涡旋，从而使粒子在涡旋诱导的升力和迪恩曳力的作用下实现平衡，克服了分选效果对流道结构的强依赖性，实现了高回收率（＞99%）、高纯度（86.12%）的粒子分选。同时，经测试，该芯片在400 μL/min至1000 μL/min的高通量范围内均可以实现有效的分选。

为证明该芯片在临床应用中的潜能，研究人员进行了外周血中癌细胞的富集实验。实验结果表明人的乳腺癌细胞、宫颈癌细胞均可实现高效富集并在后续的培养中保持了完整的细胞形态和良好的生物活性。这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是天津大学博士研究生勾易行，通讯作者为清华大学精仪系任大海。

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Sheathless Inertial Focusing Chip Combining a Spiral Channel with Periodic Expansion Structures for Efficient and Stable Particle Sorting

Yixing Gou, Shuai Zhang, Changku Sun, Peng Wang, Zheng You, Yaxiaer Yalikun, Yo Tanaka, Dahai Ren

Anal. Chem., 2020, 92, 1833−1841, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b03692

导师介绍

任大海：男，清华大学精密仪器系特别研究员，博士生导师。主要研究方向为生物微系统和微纳传感器，作为项目或课题/专题负责人已承担及完成国家自然科学基金、国家863、973、国家攻关、国家重大科学仪器开发专项等30余项科研课题，主要鉴定成果均达到国际先进水平，部分成果获得转化。参与创建了“老年医学国家转化医学中心”和“生物医学检测技术及仪器北京实验室”（现任实验室副主任）。近年来获得国家科技进步二等奖、北京市科技发明一等奖、北京市科技发明二等奖、北京市科技进步二等奖、教育部提名国家科学技术奖二等奖、中国机械工业科学技术奖二等奖等多项科技奖励。现担任两国际期刊编委，并为Biosensors and Bioelectronics 等10余家SCI期刊的审稿人。近年来担任了IEEE Nano、IEEE Transducers、CSMNT等重要国际会议的组织工作，在Optofluidics、中国科协青年科学家论坛等各类国际/国内学术会议作特邀报告20余次，以第一/通信作者在核心期刊与重要国际会议发表论文100余篇，授权发明专利10余项，参与撰写出版学术专著2部，其中一部获得中国出版领域最高奖“中国出版政府奖”。

https://www.x-mol.com/university/faculty/60778