隨著微流控技術的迅猛發展，微流控領域出現了眾多具有創新意義的新技術，如表面張力限制的液滴微流控技術。表面張力限制的液滴微流控技術在生物醫藥和材料合成等方面具有非常廣泛的應用，使用簡便而有效的方法制備出均勻性良好的液滴陣列也是近年來的研究熱點之一。近日，上海大學的巫金波教授團隊通過表面親疏水的差異將微米級尺寸的液滴固定在基片表面，制備出不同形狀、尺寸的液滴陣列，并利用液滴陣列進行單細胞的培養與觀測。

傳統的液滴微流控技術多是基于復雜的三維立體通道結構的微流控芯片，制備工藝復雜、儀器精度要求高且價格昂貴。表面張力限制的液滴微流控技術與傳統液滴微流控技術最大的不同點在于前者基于對表面張力的控制，從而實現對液滴的操控，如液滴的生成及運動，而后者是基于對三維微通道結構的設計，從而實現液滴的分裂、運動及融合。相應地，基于表面張力的液滴微流控技術只需要對平臺表面進行選擇性的化學改性或者物理作用，使平臺表面的不同區域對液體的表面張力發生變化，產生具有親疏水性的通道或陣列圖案。通過改變圖案尺寸或調節液滴產生過程中的各項參數，他們就能夠實現對液滴尺寸及形貌的調控，對需要精確定量的化學或生物反應而言是巨大的優勢。但就目前發展情況而言，這一技術仍存在一定的挑戰和困難——微小體量的液滴揮發速率極快，如何確保液滴體積的穩定性并利用液滴陣列進行材料的合成或細胞培養仍需要進一步的探索。

上海大學的巫金波教授團隊在具有疏水性質的基片表面構建了親水圖案，當把水溶液（如熒光溶液、細胞培養液等）和油液依次分別添加到基片表面時，通過滑動玻璃蓋片的方法，親水區域的水溶液會得到保留，而疏水區域會被油液所侵占，從而成功地制備出形狀規則、尺寸均一、排布整齊的皮升量級的油蓋水型液滴陣列。整個過程只需短短的5秒鐘便可制備出一萬多個體積為31皮升左右的液滴，液滴生成的通量達到3 kHz。他們還用油液覆蓋液滴陣列，一方面使陣列中的液滴之間相互隔離，另一方面有效地阻止了液滴的蒸發。進一步的研究發現，油蓋水液滴陣列可在室溫下存儲兩天以上，為基于液滴的應用提供了必要的條件。因此，人們可以通過上述方法將微顆粒或細胞封裝到液滴陣列中。

圖1. 油蓋水型液滴陣列制備步驟的示意圖

大腸桿菌是人和動物腸道中的正常棲居菌，通過調整細菌培養液中大腸桿菌的濃度可制備出液滴中含有單個大腸桿菌的油蓋水型液滴陣列。在36小時的培養期間，液滴中的大腸桿菌表現出十分強的活性，并順利地進行生長和增殖等生命活動。在所觀測的液滴中，經36小時的培養后液滴中大腸桿菌的數量由原來的1個或3個分別增加到47個或68個左右。大腸桿菌在液滴中成功的增殖說明上述液滴陣列在單細胞培養等領域具有重大的應用價值，如可進行高通量的細胞毒性測試、藥物篩選及材料合成等。

圖2. 液滴中大腸桿菌的數目隨時間變化的圖像

該論文作者為：Han Wu, Xinlian Chen, Xinghua Gao, Mengying Zhang, Jinbo Wu and Weijia Wen

High-Throughput Generation of Durable Droplet Arrays for Single-Cell Encapsulation, Culture, and Monitoring

Anal. Chem., 2018, 90, 4303, DOI: 10.1021/acs.analchem.8b00048

科研思路分析

Q：這項研究最初是什么目的？或者說想法是怎么產生的？

A：表面張力限制的液滴微流技術通常需要在疏水性基底表面構建親水性圖案，通過改變圖案尺寸或調節液滴產生過程中的各項參數，就能夠實現對液滴尺寸及形貌的調控。但就目前發展的情況而言，這一技術仍存在一定的挑戰和困難：一方面，想要制備出排布整齊、尺寸均一以及形狀規則的液滴陣列仍具有較大的難度；另一方面，要想改變液滴的尺寸，親疏水圖案化基底需要重新進行設計和制備，由此將增加額外的損耗和步驟；最后，微小體量液滴的揮發速率極快，如何確保液滴體積的穩定性并利用液滴陣列進行材料的合成或單細胞的培養仍需要進一步的探索和研究。因此，使用簡便而有效的方法制備出均勻性良好的液滴陣列，對推廣液滴微流控的實際應用具有重大的意義。

Q：研究過程中遇到哪些挑戰？

A：遇到的第一個挑戰是如何控制液滴的形貌與尺寸，液滴的尺寸與形貌主要與模板通孔尺寸、等離子體的濺射時間以及基底的性質等因素相關，精確控制液滴的尺寸需要通過大量的實驗來實現。遇到的最大的挑戰是如何利用液滴陣列進行細胞的捕獲與培養，當采用普通的玻璃基底時，細胞不僅會出現在液滴中，也會出現在液滴之外，且無法制備出大量均勻性良好的含有細胞的細胞培養液液滴陣列，為針對細胞的研究帶來了不便。經過逐步的探索與研究，我們發現使用PDMS作為基底是絕佳的選擇，從而實現了單細胞的培養。

Q：該研究成果可能有哪些重要的應用？哪些領域的企業或研究機構可能從該成果中獲得幫助？

A：所提出的制備油蓋水型液滴陣列的方法具有簡便、高效、高通量、低消耗、無需額外精密儀器等優點，液滴生成的通量達到3 kHz，且通過該方法實現了微顆粒的封裝以及單細胞的捕獲、培養與動態觀測。該方法具有許多優勢，在實際應用中表現出色，在生物和化學領域具有廣闊的應用前景，如可進行高通量的細胞毒性測試、藥物篩選及材料合成等。該研究的相關內容已申請專利。

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