液体交换功能和微流控芯片的集成在生物医学和生物物理学领域发挥着至关重要的作用，因为其能够控制细胞外环境，并且同时实现对单细胞的刺激和检测。为了在微流控器件中实现液体交换，以往的一些研究验证了几种方法。其中，在封闭式微流控芯片中，研究人员通常采用多重层流法来进行液体交换。然而，在层流法中，要实现高速的液体交换，需要较高的注入电压。相应地，注入电压的增加会对微流控芯片的力传感器产生更大的干扰。此外，层流法还存在一些其它的缺点，例如，对大多数封闭式微流控芯片而言，其样品处理和分析通常发生在封闭的微通道内，这对外部工具的使用和样品制备施加了限制。此外，如何控制封闭微通道内液体交换的位置和压力也是一个挑战。另一种方法是利用具有泵系统的探针。该方法的优点是溶液交换是在局部开放空间中实现的，因此不会干扰周围的液体。
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据麦姆斯咨询报道，来自日本名古屋大学（Nagoya University）、东京大学（The University of Tokyo）和东北大学（Tohoku University）的研究人员开展了系列实验，以研究集胞藻（Synechocystissp.）菌株PCC6803的机械力敏感（MS）通道对渗透压变化的响应。在先前的一项实验中，研究人员设计了一种集成液体交换和力测量功能的封闭式微流控芯片来研究集胞藻在渗透压变化下的动态响应。研究结果显示，在该微流控芯片中，液体交换时间约为0.5 s，与其它已有研究中集胞藻对渗透压变化的响应时间（约为20 ms）相比，其响应时间相对较长。因此，该项研究并且没有完全捕捉到细胞的精确响应过程。
为了解决以上问题，该研究团队在先前研究的基础上进一步提出了一种测量单细胞瞬态响应的新方法，该方法利用一种集成了具有双泵系统的探针、微流控芯片、光镊、外置机械臂和外置压电执行器等组件的系统，实现了以极高的时间分辨率测量细胞对渗透性冲击的瞬态响应。相关研究成果近期以“Integration of Microfluidic Chip and Probe with a Dual Pump System for Measurement of Single Cells Transient Response”为题发表在Micromachines期刊上。
图1 （a）实验装置及具有双泵系统的探针和探针尖端的图像；（b）采用双泵系统的探针示意图
在该项研究中，为了进行概念验证，研究人员首先设计了双管移液器，并且将其与两个压电泵组装在一起构建了具有双泵系统的探针，该探针允许同时进行液体的注射和吸入。在此基础上，研究人员制造了具有片上探针的微流控芯片，并且对集成的力传感器进行了校准。
图2 集成式微流控芯片图像及制造工艺
随后，研究人员对具有双泵系统的探针性能进行了表征，并且考察了分析位置和面积对评估液体交换时间的影响。接着，研究人员进一步考察了注入电压对液体交换度的影响，并且在此基础上优化了施加的注入电压，实现了完全的液体交换，其平均液体交换时间约为3.33 ms。
图3 液体交换过程
图4 分析区域位置和面积对评估液体交换时间的影响
此外，为了准确评估液体交换对传感器探针的干扰，研究人员用与集胞藻细胞具有相似杨氏模量和大小的聚二甲基硅氧烷（PDMS）珠代替了细胞，因为聚二甲基硅氧烷珠的体积不受渗透压变化的影响。研究结果显示，在传感器探针的位移数据中几乎不能观察到与液体交换相关的干扰。并且，与层流法中封闭式微流控芯片内由液体交换引起的干扰相比，具有双泵系统的探针实现了局部液体交换，从而显著降低了液体交换过程下的干扰，提高了力传感器的测量精度。
图5 注入电压对液体交换度的影响以及液体交换对位移测量的干扰
未来，研究人员将继续比较野生型和突变型（机械力敏感通道缺陷）集胞藻细胞在高速渗透压变化下的响应，以揭示机械力敏感通道的生理功能。此外，过大的压缩力可能会损坏细胞，因此，在未来的实验中，研究人员将进一步评估压缩力对细胞的影响。
论文链接：
https://doi.org/10.3390/mi14061210
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》