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简化血细胞研究的微型离心机式微流控装置,解锁器官芯片新可能

2019-05-12 11:09:00

用于制作微型离心机的液态金属液滴，位于样品最终将会被泵送通过的通道之上

一粒沙子大小的简单创新装置能够帮助我们分析细胞和微小颗粒，就好像它们就在人体内一样。

用于流体分析的新型微装置将通过“器官芯片”系统在药物开发和疾病研究领域实现更多定制化实验。

它还可以改变自然灾害区的水污染测试和医疗诊断，低成本、易于使用和便携的特性使其成为几乎任何人都可以使用的实用工具。

如何工作？

微流控或芯片实验室装置通常用于分析血液和其它流体样品，这些样品通过狭窄的通道泵送到邮票大小的透明芯片中。

这款新芯片采用微流控技术，在通道内增加了一个三维腔室，就像一个狭窄的隧道突然通往一个穹形拱顶，会产生一股小漩涡使得其中的颗粒旋转，从而使颗粒观察变得更为容易。

为了制造这个腔室，研究人员在制造芯片时将一个液态金属液滴插入硅片模具。

液态金属的高表面张力意味着它可以在模塑过程中保持原状。

墨尔本皇家理工大学（RMIT）的工程师和该项研究的共同领导人Khashayar Khoshmanesh博士解释道，最后会除去液态金属，仅保留通道和球形腔用作微型离心机。

他指出，“当液体样本进入球形腔时，它会在腔内旋转。”

“这种旋转产生自然漩涡，就像分析实验室中的离心机一样，旋转细胞或其他生物样本，允许对它们进行研究而无需捕获或标记它们。”

该装置只需要微量样本，少至1毫升的水或血液，研究范围囊括仅1微米的微小细菌细胞到15微米的人体细胞。

一款用于研究心血管疾病的平台

这项研究的共同领导人兼墨尔本皇家理工大学的生物学家Sara Baratchi表示，该装置的软球形腔可用于模拟人体三维器官，并观察细胞在各种流动条件或药物相互作用中的表现。

她指出，“定制腔室大小的功能也允许研究人员模拟不同的流动情况，这样我们可以模拟受干扰流动情况下血细胞的反应，例如在分支点和冠动脉和颈动脉弯曲处，这些位置的通道更容易变窄。”

该装置将会引起澳大利亚蓬勃发展的生物医药产业的兴趣，医疗器械在2018年成为澳洲十大出口产品之一，价值32亿美元。

Baratchi表示，研究人员通过合作才能达成这一发现，来自工程系的技术人员和健康与生物医学系的机械生物学家共同努力成立了墨尔本皇家理工大学的机械生物学和微流控研究小组。

Baratchi补充道，“像我这样的生物学家一直致力于研究相关流体力学对循环血细胞的影响。现在，这款与我们工程学院同事共同开发的微型装置就能实现上述功能。”

“这是一个巧妙的解决方案，真正突出了跨学科研究的价值。”

一些激动人心的应用也能在实验室之外进行操作。

任何人都可以使用的经济、便携式水测试装置

另一大有前景的应用是识别水道中的寄生虫和其他感染物，尤其是在发展中国家。

Khoshmanesh表示，“对水中杂质的检测有可能是一项艰巨的任务，因为你不一定总会确切知道你在寻找什么。”

“但是在该装置的帮助下，无需任何特殊的样品制备，杂质将被漩涡捕获并围绕它旋转，从而节省时间和金钱。”

无论是用于分析水样还是血样，这款低成本、便携式装置在各种应用中都具有一定的吸引力。

同一研究小组最近开发出一款由乳胶气球制成的压力泵来操作该装置。

不同于传统与鞋盒一样大且花费数千美元的传统微泵，他们发明的微泵成本很低且具有便携性。

Khoshmanesh补充道，“简单化是我们在设计过程中一大非常重要的考量因素，因为它通常就意味着低成本和实验室外广泛的适用性。”

“我们所发明的新型微流控装置、微泵和能够捕获高速图像的智能手机相结合，使其成为一款低成本、自给自足且全便携式的即时诊断装置。”

墨尔本皇家理工大学工程系博士生Ngan Nguyen作为主要作者，将该项研究成果以论文形式发表在顶级期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。