中國科學技術(shù)大學工程科學學院微納米工程實驗室在單顆粒/細胞捕獲研究領(lǐng)域取得重要進展。他們提出使用實時飛秒激光雙光子光刻技術(shù)，成功實現(xiàn)了單顆粒或細胞的捕獲，該技術(shù)還可以實現(xiàn)可控多顆?；蚣毎麍F簇的實時捕獲，用于細胞通訊或顆粒之間的相互作用研究，有望極大地推動細胞捕獲研究領(lǐng)域的發(fā)展。該成果以“Real-time two photon lithography in controlled flow to create a single-microparticle array and particle cluster array for optofluidic imaging”為題，發(fā)表在微流控領(lǐng)域國際頂級期刊Lab on a Chip上 [Lab on a Chip 18, 442-450 (2018)]，并被選為inside back cover封面。同時被Nature Photonics以“Instant trap formation” 為題亮點報道 [Nature Photonics 12, 65 (2018)]。
在單細胞分析研究中，捕獲目標細胞是實現(xiàn)單細胞分析的第一步。微流控芯片具有傳統(tǒng)實驗方法所不具備的一些優(yōu)點，包括超低的試劑消耗、高集成度、高自動化程度、高效率、環(huán)境友好、微型化、可攜帶、低成本以及操控簡單等，尤其在操作微量流體方面有著獨特的優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛研究并應用于單細胞捕獲領(lǐng)域中。其中，基于微流控的捕獲陣列方法是實現(xiàn)細胞或者顆粒捕獲分離最簡單、最常用的方法。然而，目前的微捕獲陣列面臨著幾個難題：1. 由于微捕獲結(jié)構(gòu)會增大捕獲單元的阻力，使得大部分的顆粒和細胞繞過捕獲結(jié)構(gòu)，從而導致極低的捕獲效率（低于10%）；2. 傳統(tǒng)的捕獲結(jié)構(gòu)都是預先在微流控芯片中加工出微捕獲結(jié)構(gòu)，無法實現(xiàn)針對目標結(jié)構(gòu)尺寸和幾何結(jié)構(gòu)的實時可調(diào)控性；3. 同時捕獲可控的顆粒團簇很難實現(xiàn)。
圖1 實時飛秒激光雙光子光刻用于100%顆粒或細胞捕獲
該工作首次報道了結(jié)合可控流體的實時飛秒激光雙光子光刻技術(shù)，通過快速加工微柱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了100%顆?；蚣毎膯尾东@。研究團隊首先設(shè)計制造了一定高度的微流控芯片，向芯片中通入包含有目標微顆?；蚣毎?a title='光刻膠' target='_blank' class='seolabel'>光刻膠或水凝膠；通過圖像實時觀測篩選目標顆粒，然后快速控制液體停流；使用飛秒激光在目標顆粒或細胞周圍加工微柱陣列；最后洗掉光刻膠或水凝膠，得到目標結(jié)構(gòu)用于后續(xù)單細胞分析。單細胞或顆粒的捕獲效率接近100%，且捕獲目標的幾何尺寸和形狀實時可調(diào)，另外還可以實現(xiàn)可控數(shù)目的顆粒團簇的捕獲。
Nature Photonics雜志副主編Noriaki Horiuchi在news&views專欄評述該項工作：該研究組提出了一個新的捕獲策略——實時流體控制的飛秒激光雙光子光刻技術(shù)，該技術(shù)能夠有效在原位捕獲目標顆粒；該工作相比于傳統(tǒng)的微捕獲陣列方法，具有很多優(yōu)點：首先，捕獲效率大幅度提升，接近100%，且單細胞捕獲時間僅僅為400 ms；其次，可以根據(jù)目標顆粒/細胞的尺寸和幾何形狀實時調(diào)控捕獲結(jié)構(gòu)，從而提高了該方法在多種細胞中捕獲目標細胞的精確度；最后，該方法可以實現(xiàn)任意的單細胞捕獲圖案以及可控團簇細胞或顆粒的捕獲；該技術(shù)有望在單細胞分析、光流體以及細胞計數(shù)領(lǐng)域中獲得應用。
工程科學學院微納米工程實驗室長期從事飛秒激光微納加工用于粒子/細胞捕獲的研究，在微結(jié)構(gòu)加工和微物體捕獲方面具有良好的工作基礎(chǔ)和積累。在前期工作中利用毛細力自組裝方法加工了長管道結(jié)構(gòu)[Small 13, 1603957 (2017)]，利用微管結(jié)構(gòu)捕獲微顆粒和細胞并用于細胞培養(yǎng) [Small 13, 1701190 (2017); Opt. Express 25, 8144 (2017)]，利用全息方法快速加工了微柱結(jié)構(gòu)組裝體和微流體分選捕獲器件[Adv. Funct. Mater. 27, 1701939 (2017)封面文章, Opt. Express 25, 16739 (2017)]。
工程科學學院博士生許兵為論文的第一作者，吳東教授、胡衍雷副教授為論文的通訊作者。這項工作得到了國家自然科學基金、中國科學院科研裝備研制項目、中國博士后科學基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金等項目的資助。
Lab on a Chip論文鏈接：
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/lc/c7lc01080j#!divAbstract
Nature Photonics鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41566-018-0096-5
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