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)細胞分離、捕獲以及檢測單細胞等多種功能。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)控細胞外環(huán)境，并同步刺激與檢測單個細胞，從而實時觀察到細胞響應(yīng)的細致與動態(tài)變化。為了精確測量細胞在刺激下的瞬態(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胞接觸力檢測幾乎不受干擾。借助該系統(tǒng)，研究團隊能夠以很高的時間分辨率精確測量細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行了校準。

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) 力傳感器的校準數(shù)據(jù)和理論值示例（藍色點表示校準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: 標準偏差。

接下來，研究團隊對雙泵探針系統(tǒng)的性能進行了細致的表征，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)行器壓縮目標細胞；(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，為了準確評估液體交換對傳感器探針的干擾，研究團隊用與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細胞的瞬態(tài)響應(yīng)。該系統(tǒng)能在芯片表面局部快速地進行液體交換，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胞的瞬態(tài)反應(yīng)。由于MS通道能夠感知膜張力，細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)在準確研究單個細胞響應(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。