综述：开放式液滴微流控系统赋能生物学和化学应用
2023-04-22 14:07:49   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

在开放的环境中，开放式液滴微流控系统（open droplet microfluidic systems）可以操纵皮升至微升的液滴。该系统将传统基于液滴的微流控的分割和控制能力与开放式微流控的可及性和易用性相结合，为组合反应、微滴分析和细胞培养等应用带来了独特的优势。开放式微流控系统提供了对液滴的直接存取，并允许在系统内按需操纵液滴，而无需使用泵或管，这使得生物学家无需复杂的设置就能够使用该系统。此外，该微流控系统可以通过简单的制备和组装步骤制造而成，从而实现大规模生产并将该方法应用于临床研究。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国华盛顿大学（University of Washington）与泰国玛希隆大学（Mahidol University）的科研团队在Nature Reviews Chemistry期刊上发表了以“Miniaturizing chemistry and biology using droplets in open systems”为主题的综述论文。该论文第一作者为华盛顿大学的Yuting Zeng，通讯作者为Erwin Berthier和Ashleigh B. Theberge。

该论文综述了开放式液滴微流控系统的研究进展，并详细阐述了开放式液滴微流控系统的流体机制和生物化学及化学应用。该论文首先描述了不同类型的系统（静态和动态）以及开放式液滴微流控系统的优势和劣势。随后，介绍了开放式液滴微流控系统的物理原理和理论、各类系统结构以及应用实例。最后，对开放式液滴微流控领域的应用前景和发展方向进行了展望。

开放式液滴微流控系统的介绍

传统的微流控使用封闭通道（如图1a），通常涉及采用软光刻制造并键合到玻璃上的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控器件。开放式微流控系统至少有一侧或一面暴露于空气或不互溶的液体中（如图1b）。一般来说，开放式液滴微流控系统可分为静态系统和动态系统。在静态系统中，液滴在实验中的大多数情况保持静止，液滴在同一位置被操纵（如图1c）。在动态系统中，液滴可根据需要在系统中移动，用于包括孵化、分选、提取和分析在内的不同目的（如图1d）。

图1 封闭式通道与开放式通道液滴微流控系统的比较

一般而言，静态系统的设计比动态系统更简单直观，因为液滴排列成阵列（亦称为液滴微阵列），类似于微孔板。动态系统在操纵液滴方面比静态系统更具灵活性，因此动态系统可以实现更多样化的功能。开放式液滴微流控系统比传统的封闭液滴微流控系统具有诸多优势，例如易存取、易制造、设计简单，并且能够促进液滴内部与外部环境之间的最佳气体交换。

然而，开放式液滴微流控系统也存在相关挑战，例如管理蒸发、相对较低的通量以及需要仔细考虑器件的材料特性（例如润湿性）。该领域另一大难题是缺乏完整的理论来表征开放式系统中由毛细力驱动的流体。

力学理论与液滴操纵

在封闭液滴微流控系统中，液滴通常是通过强制流动形成和移动的；而在开放式液滴微流控系统中，外加压力很小，液滴界面处的表面力是驱动液滴运动的主要力量。表面力与表面张力的概念相关，如图2。在开放式液滴微流控系统中，液滴可能“漂浮”于载流体（carrier fluid）面之上，也可能浸没其中（如图2e）；而在封闭的通道中，液滴总是完全浸没于载流体中。

图2 作用于液滴界面的力

随后，该研究详细阐述了载流体的流动动力学。研究中将把单独载流体的流动称为单相流（single-phase flows），把液滴系统（包括液滴和载流体）中的流动称为两相流（two-phase flows）。所有液滴系统至少有两相。

开放式液滴微流控系统的一个关键组成部分是液滴操纵（droplet manipulation），包括液滴的生成、运输和合并等，如图3所示。为了证明液滴操纵的重要性，研究人员描述了该系统的典型场景。在开放式液滴微流控系统中，样品首先以液滴形式封装。这些液滴如同微型反应室，在其中进行生物或化学反应过程，在缩小尺寸的同时实现了多实验并行处理和分析。接着，将这些液滴与含有试剂的液滴合并，以观察反应结果。随后，将液滴运送到存储区域并进行孵化。接下来，根据液滴的测量特性（例如荧光性、质量或尺寸）对其进行分类。最后，将液滴分裂成更小尺寸，以便提取液滴样品用于质谱分析等化学分析。

图3 液滴操纵示例

应用与展望

液滴操纵技术的持续创新使得开放式液滴微流控系统在生物和化学研究应用方面取得了长足进展。该研究重点介绍了开放式液滴微流控的部分应用：组合反应与高通量筛选、三维细胞培养以及液滴中的化学和细胞分析，具体示例如图4至图7所示。该研究中的应用示例主要选择了应用广泛的开放式液式滴微流控系统。这些示例展示了经济且高效的微型化器件，并在化学、生物化学、医学、制药科学以及即时诊断（point-of-care）系统等多领域显示出了巨大的应用潜力。

图4 用于合成和组合反应的开放式液滴微流控

图5 开放式液滴微流控中三维细胞培养和球状体形成

图6 开放式微流控系统中的液滴分析

图7 开放式液滴微流控系统中的细胞分析

综上所述，开放式液滴微流控系统具有开放的可及性、极简的设置以及简洁的设计，为适宜的应用提供了巨大的潜力。该系统能够运用多种液滴操纵技术，并在从化学反应到细胞培养与分析等多领域展现良好的应用前景。在未来十年中，研究人员期望开放式液滴微流控领域不仅在其应用广度上不断发展——涌现更多新颖的系统设计和开发，而且在其研究深度上更为成熟——优化并利用现有工具来探索复杂的化学和生物难题。

这项研究获得美国国立卫生研究院基金（R35GM128648）、霍华德休斯医学研究所吉列姆奖学金以及美国肾脏病学会肾脏治疗博士奖学金的资助和支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41570-023-00483-0

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《微流控初创公司调研》