O núcleo da tecnologia de microfluidos é a manipulação precisa de fluidos em escala de mícrons. Esta tecnologia fornece suporte técnico eficiente e de baixo consumo para pesquisas relacionadas e tem um valor de aplicação importante em áreas como síntese química, pesquisa biológica e diagnóstico de doenças. Do ponto de vista do desenvolvimento tecnológico, os sistemas de microfluidos são divididos em duas categorias: uma é o "Laboratório de Chip (LoC)", que permite a integração de manipulação de fluidos e experimentos em múltiplas etapas através da gravação de microcanais em microchips, mas seu ambiente fechado resulta em má acessibilidade de amostras, custos de fabricação mais altos e carregamento e descarga de amostras requerem habilidades operacionais profissionais; Outra categoria é o dispositivo de microfluido aberto, embora resolva o problema de acessibilidade do sistema fechado, é difícil alcançar uma bomba de fluxo contínuo estável, por issoLimitações na conclusão de processos experimentais complexos e em várias etapas- É.

Há muito tempo, o campo da pesquisa tem sido confrontado com um desafio fundamental: como conseguir uma bomba de fluxo contínuo estável e controlada com operações integradas em múltiplas etapas, mantendo as características abertas e fáceis de operar. Este problema tornou-se uma aplicação popular que restringe a tecnologia de microfluidos em cenários de pesquisa convencionais, e um design inovador baseado em inspiração biológica está fornecendo ideias inovadoras para resolver esse quebra-cabeça.

Recentemente,Equipe do professor Liu Xiaoming da Universidade Politécnica de Pequim no PNASA revista foi publicada online com o título“Laboratório em uma extremidade: Micromanipulação usando a matriz de pilares acoustohidrodinâmicos como um efetor final”sobre.Inspirado pelas características de sinergia móvel da estrutura filamentosa, o estudo projetou um dispositivo de matriz de microcolunas de fluidos acústicos chamado "Lab on an End" (LoE).Realiza a compatibilidade entre o ambiente aberto de microfluidos e o controle contínuo de fluidos no espaço-tempo, demonstrando a capacidade de manipulação multidimensional, versátil e flexível de partículas em microescala, alvos biológicos e líquidos.

Primeiro, a equipa utilizaTecnologia de impressão 3D de microlitografia de projeção superficial de precisão (PμSL) (nanoArch) ® P140， Precisão: 10 μmForam fabricados atuadores extremos de pente. Alimentado pelo transductor de ultra-som, um campo acústico e um fenômeno de fluido acústico local serão gerados perto do atuador final. Mediante a modulação da frequência e amplitude do sinal de entrada, o fluido acústico pode apresentar três efeitos: fluxo de transmissão dentro da superfície, fluxo de rotação fora da superfície e captura baseada na força de radiação acústica, o que permite a captura, deslocamento, rotação e transporte bidirecional de microalvos que operam desde células HeLa de vários micrômetros até a escala de milímetros. Além disso, a impressão 3D da superfície da extremidade do pente produz uma força capilar maior e, portanto, pode trazer gotas para se mover na superfície hidrofóbica.

Para validar a capacidade do LoE de manipular alvos individuais, os pesquisadores validaram os três efeitos acústicos acima através do rastreamento de partículas (Figura 2A-2C) e, além disso, validaram sua capacidade de captura, deslocamento, rotação e transporte bidirecional do alvo usando partículas de poliestireno (PS) de tamanho de 100 μm (Figura 2D-2G). Em comparação com outros atuadores terminais, o LoE também possui capacidade de manipulação paralela, e os pesquisadores demonstraram a capacidade de organizar partículas dispersas como padrões "BIT" manipulando vários alvos simultaneamente (Figura 2H).

Com base na manipulação de partículas individuais, os pesquisadores exploraram ainda mais as aplicações do LoE em diferentes áreas de pesquisa biomédica e química.

Os pesquisadores usaram o LoE para completar um processo de manipulação celular extra-genital auxiliar de ponta a ponta. Primeiro, aproveitar a função de captura do LoE para capturar os óvulos espalhados por toda a parte e colocá-los em uma linha (Figura 3B); Em segundo lugar, os óvulos capturados são transportados para a janela de manipulação através de um fluxo de transporte contínuo intrafacial de LoE e o campo de visão do microscópio é focado dentro da janela (Figura 3C); Finalmente, o fluxo de rotação contínua fora da face do LoE ajusta a postura dos óvulos dentro da janela de manipulação para observá-los e reorientá-los (Figura 3D). Os óvulos redirecionados podem continuar a se desenvolver em embriões após a injeção de espermatozoides no plasma (Figura 3E); Durante o desenvolvimento do embrião, o estado do embrião pode ser continuamente observado por meio de LoE em diferentes períodos e a qualidade do desenvolvimento do embrião pode ser avaliada por meio de técnicas de reconstrução tridimensional microvisual (Figura 3F-3G). Todas as operações complexas de múltiplas etapas acima podem ser realizadas através do mesmo atuador terminal, demonstrando sua capacidade de usar o "fluxo contínuo do espaço-tempo" para processamentos complexos de múltiplas etapas.

Em segundo lugar, os pesquisadores usaram o LoE para desenvolver um hermoso worm hidden (C. elegans (em inglês)Estudo de caracterização morfológica. A matriz de atuadores terminais produz fluxos contínuos de tempo estáveis ​​e consistentes em diferentes posições de unidades terminais, garantindo uma rotação e transporte estáveis ​​para alvos de grande diâmetro, como vermes de linha. Os pesquisadores também propuseram uma técnica de imagem local confocal de vermes: ajustar a posição e a postura dos vermes através de LoE para obter imagens de alta precisão de diferentes partes dos vermes de diferentes ângulos, evitando assim que a informação de fluorescência analítica seja interferida pela sobreposição de sinais de fluorescência de diferentes planos (Figura 4).

Em terceiro lugar, os pesquisadores confirmaram a vantagem do LoE na operação de líquidos. Similar a outras plataformas de microfluidos abertos, o LoE permite a captura e o transporte estáveis de gotas de água em superfícies hidrofóbicas ou meios de fase oleosa (Figura 5A). Ao contrário de outros dispositivos, o LoE também acelera a mistura de fluidos viscosos em microescala e o processo de dissolução de partículas sólidas sob o efeito de fluidos acústicos, resolvendo eficazmente o problema da dificuldade de difusão de interfaces de altas concentrações de fluidos de baixo número Renault (Figura 5B-5C). Os pesquisadores também projetaram cenários experimentais em que o LoE promove reações químicas, especialmente em reações químicas com precipitação ou geração de gás que são difíceis de lidar com os chips LoC tradicionais (Figura 5D). Com configurações pré-programadas, o LoE também simula a capacidade de "processamento serializado" de microfluidos para realizar reações químicas complexas em múltiplas etapas.

Além disso, os pesquisadores também verificaram a capacidade do LoE em operações unicelulares e multicelulares. Os estudos selecionaram linhagens celulares HeLa clássicas no campo das ciências da vida e primeiro confirmaram sua capacidade de captura, transbordo, rotação e manipulação de células individuais (Figura 6A). Além disso, LoE também funciona como uma ferramenta de manipulação de alto fluxo para implementar a agrupação de células HeLa (Figura 6B) e tem funções como transfeção celular e administração de medicamentos (Figura 6C-6D).

Resumo: O LoE oferece uma combinação de “operação aberta” e “processamento multipasso de fluxo contínuo” – com dispositivos abertos flexíveis e convenientes, de baixo custo e rápidos para iniciar e realizar experimentos complexos como um laboratório de chips.O dispositivo não requer habilidades operacionais profissionais, é adequado para laboratórios comuns, promete promover a popularização da tecnologia de microfluido na síntese química, pesquisa biológica, reprodução assistida e outras áreas, fornecendo ferramentas práticas e eficientes para a pesquisa científica relevante, ajudando a alcançar avanços de pesquisa em áreas relacionadas.