Im Mittelpunkt der Mikrofluidtechnik steht die präzise Steuerung von Flüssigkeiten im Mikrometer-Maßstab. Diese Technologie bietet eine effiziente und kostengünstige technische Unterstützung für die Forschung und hat einen wichtigen Anwendungswert in den Bereichen chemische Synthese, biologische Forschung und Krankheitsdiagnostik. Aus der Sicht der technologischen Entwicklung ist das Mikrofluidsystem hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: Die erste Kategorie ist "Lab on a Chip (LoC)", die Flüssigkeitsmanagement und mehrstufige Experimente durch das Gravieren von Mikrokanälen auf kleinen Chips ermöglicht, aber seine geschlossene Umgebung führt zu schlechter Zugänglichkeit der Probe, hohen Herstellungskosten und professionellen Betriebsfähigkeiten für das Laden und Entladen von Proben; Eine andere Kategorie ist eine offene Mikrofluidkontrolle, die zwar das Problem der Zugänglichkeit eines geschlossenen Systems löst, aber eine stabile kontinuierliche Strompumpung schwierig ist.Einschränkungen bei der Durchführung komplexer, mehrstufiger Experimente.

Die Forschung steht seit langem vor einer zentralen Herausforderung: Wie man eine stabile, steuerbare kontinuierliche Strompumpung mit mehrstufigem integrierten Betrieb ermöglicht, ohne dass die Funktionen offen und einfach zu bedienen sind. Dieses Problem hat sich zu einer weit verbreiteten Anwendung der Mikrofluidtechnologie in den Mainstream-Forschungsszenarien entwickelt, und ein innovatives, biologisch inspiriertes Design bietet bahnbrechende Ideen zur Lösung dieses Problems.

In den letzten Tagen,Professor Liu Xiaoming von Peking Polytechnic University im PNASOnline veröffentlicht mit dem Titel„Lab an einem Ende: Mikromanipulation mit dem akustohydrodynamischen Pillar Array als Endeffektor“über.Die Studie wurde von den synergistischen Bewegungsmerkmalen der Fibrostrukturen inspiriert und entwickelte ein Mikrosäulenarray-Gerät für akustische Flüssigkeiten mit dem Namen "Lab on an End" (LoE).Die Kompatibilität mit der offenen Umgebung von Mikroflüssigkeiten und der kontinuierlichen Flüssigkeitsmanagement im Raum- und Zeitraum wurde erreicht und zeigt eine skalübergreifende, vielseitige und flexible Manipulationsfähigkeit von Mikropartikeln, biologischen Zielen und Flüssigkeiten.

Zunächst nutzt das TeamMicro-Stereolithographie (PμSL) 3D-Drucktechnologie (nanoArch) ® P140， Genauigkeit: 10 μmHerstellung eines Kamm-Endantriebs. Unter dem Antrieb des Ultraschallwandlers entstehen Schallfelder und Phänomene der lokalen Schallflüssigkeit in der Nähe des Endaktuators. Durch die Modulation der Frequenz und Amplitude des Eingangssignals kann die Schallflüssigkeit die drei Effekte des Transferstroms innerhalb der Oberfläche, des Rotationsstroms außerhalb der Oberfläche und der Erfassung auf der Grundlage der Schallstrahlung darstellen, wodurch die Funktionen der Erfassung, Stratifizierung, Rotation und bidirektionaler Transport von Mikrozielen erreicht werden können. Die Ziele umfassen Zebrafischsammlinge von mehreren Mikron von HeLa-Zellen bis zu Millimetern. Darüber hinaus erzeugt die Oberfläche des 3D-gedruckten Kammtendes eine größere Haarkraft und kann somit auch Tropfen auf der hydrophoben Oberfläche bewegen.

Um die Fähigkeit von LoE zu verifizieren, einzelne Ziele zu manipulieren, validierten die Forscher die oben genannten drei akustischen Effekte durch Partikelverfolgung (Abbildung 2A-2C) und ihre Fähigkeit zur Erfassung, Verschiebung, Rotation und bidirektionalen Transport des Ziels mit 100 μm Polystyren-Partikeln (PS) zu verifizieren (Abbildung 2D-2G). Im Vergleich zu anderen Endaktuatoren verfügt LoE auch über eine parallele Manipulationsfähigkeit, und die Forscher haben die Fähigkeit gezeigt, zerstreute Partikel in einem "BIT" -Muster zu arrangieren, indem sie mehrere Ziele gleichzeitig manipulieren (Abbildung 2H).

Auf der Grundlage der Manipulation einzelner Partikel haben die Forscher die Anwendung von LoE in verschiedenen Bereichen der biomedizinischen und chemischen Forschung weiter untersucht.

Die Forscher nutzten LoE, um den „End-to-End“-Prozess der assistierten extragenitalen Zellmanipulation abzuschließen. Zunächst erfassen Sie die überall verstreuten Eizellen mit der Erfassungsfunktion von LoE und ordnen Sie sie in einer Reihe (Abbildung 3B); Zweitens werden die erfassten Eizellen durch den kontinuierlichen intrafacialen Transferstrom von LoE an das Manipulationsfenster transportiert und das Mikroskopsichtfeld auf das Fenster fokussiert (Abbildung 3C); Schließlich werden die Gesten der Eizellen in den Manipulationsfenstern mit dem kontinuierlichen Rotationsstrom von LoE angepasst, beobachtet und umgeorientiert (Abbildung 3D). Umorientierte Eizellen können sich nach der Injektion von Spermien in das Zytoplasma weiter als Embryonen entwickeln (Abbildung 3E); Der Zustand des Embryos in verschiedenen Phasen der Entwicklung kann durch LoE kontinuierlich beobachtet werden und die Qualität der Embryonentwicklung mit Hilfe der mikrovisuellen 3D-Rekonstruktionstechnik bewertet werden (Abbildung 3F-3G). Die oben genannten komplexen mehrstufigen Operationen können mit demselben Endantrieb durchgeführt werden, was ihre Fähigkeit zur komplexen mehrstufigen Verarbeitung unter Verwendung des "zeiträumlichen kontinuierlichen Flusses" widerspiegelt.

Zweitens nutzten die Forscher LoE, um einen schönen Hidden Lineworm (von C. elegansDie morphologische Charakterisierung der Studie. Das Endaktoraarray erzeugt einen stabilen und konsistenten zeitlichen kontinuierlichen Strom an verschiedenen Endeinheitspositionen, um eine stabile Drehung und Förderung von Zielen mit großem Durchmesser zu gewährleisten. Die Forscher haben auch eine lokal kofokusierte Bildgebungstechnik vorgeschlagen: Durch die Anpassung der Position und der Geste des Threatworms durch LoE werden verschiedene Teile des Threatworms aus unterschiedlichen Winkeln hochpräzise abgebildet, um zu vermeiden, dass die stratifizierte Fluoreszenzinformation durch die Überlagerung verschiedener Fluoreszenzsignale gestört wird (Abbildung 4).

Drittens bestätigten die Forscher die Vorteile von LoE im Betrieb mit Flüssigkeiten. Ähnlich wie andere offene Mikrofluidplattformen ermöglicht LoE eine stabile Erfassung und Transport von Wassertropfen auf hydrophoben Oberflächen oder in Ölphasenmedien (Abbildung 5A). Im Gegensatz zu anderen Geräten beschleunigt LoE auch die Mischung von klebrigen Flüssigkeiten auf mikroskalarem Niveau und die Auflösung von festen Partikeln unter Schallflüssigkeiten und löst effektiv das Problem der Diffusion von Flüssigkeiten mit hohen Konzentrationen mit niedrigen Renault-Zahlen (Abbildung 5B-5C). Die Forscher haben auch experimentelle Szenarien entwickelt, in denen LoE chemische Reaktionen fördert, insbesondere bei chemischen Reaktionen mit Niederschlag oder Gaserzeugung, die mit herkömmlichen LoC-Chips schwer zu handhaben sind (Abbildung 5D). Durch vorprogrammierte Einstellungen simuliert LoE auch die Fähigkeit der Mikroflüssigkeit, komplexe chemische Reaktionen in mehreren Schritten durchzuführen.

Darüber hinaus haben die Forscher die Fähigkeit von LoE in einzelnen und mehrzelligen Operationen überprüft. Die Studie zur Auswahl von HeLa-Zelllinien, die klassisch im Bereich der Biowissenschaften sind, bestätigte zuerst ihre Fähigkeit, einzelne Zellen zu erfassen, zu transportieren, zu drehen und so weiter zu manipulieren (Abbildung 6A). Darüber hinaus funktioniert LoE als High-Flow-Manipulation-Werkzeug zur Realisierung von HeLa-Zellen Aggregation (Abbildung 6B) und hat Funktionen wie Zelltransfektion und Medikamente-Abgabe (Abbildung 6C-6D).

Zusammenfassung: LoE ermöglicht eine Kombination von „Open Easy“ und „Continuous Stream Multi-Step Processing“ – sowohl durch die Flexibilität von offenen Geräten als auch durch kostengünstige und schnelle Einsatzmöglichkeiten und die Möglichkeit, komplexe Experimente wie ein Chip-Labor durchzuführen.Das Gerät erfordert keine professionellen Betriebsfähigkeiten und ist für gewöhnliche Labore geeignet. Es wird erwartet, dass es die Verbreitung der Mikrofluidtechnologie in den Bereichen chemische Synthese, biologische Forschung, unterstützte Reproduktion und andere fördert, um effektive und praktische Werkzeuge für die relevante wissenschaftliche Forschung bereitzustellen, um Forschungsdurchbrüche in den relevanten Bereichen zu erzielen.