中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實(shí)驗(yàn)室在單顆粒/細(xì)胞捕獲研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。他們提出使用實(shí)時(shí)飛秒激光雙光子光刻技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了單顆?；蚣?xì)胞的捕獲，該技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)可控多顆?；蚣?xì)胞團(tuán)簇的實(shí)時(shí)捕獲，用于細(xì)胞通訊或顆粒之間的相互作用研究，有望極大地推動(dòng)細(xì)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(guó)際頂級(jí)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(shí)被Nature Photonics以“Instant trap formation” 為題亮點(diǎn)報(bào)道 [Nature Photonics 12, 65 (2018)]。

在單細(xì)胞分析研究中，捕獲目標(biāo)細(xì)胞是實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞分析的第一步。微流控芯片具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法所不具備的一些優(yōu)點(diǎn)，包括超低的試劑消耗、高集成度、高自動(dòng)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(jiǎn)單等，尤其在操作微量流體方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被廣泛研究并應(yīng)用于單細(xì)胞捕獲領(lǐng)域中。其中，基于微流控的捕獲陣列方法是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞或者顆粒捕獲分離最簡(jiǎn)單、最常用的方法。然而，目前的微捕獲陣列面臨著幾個(gè)難題：1. 由于微捕獲結(jié)構(gòu)會(huì)增大捕獲單元的阻力，使得大部分的顆粒和細(xì)胞繞過捕獲結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)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(yù)先在微流控芯片中加工出微捕獲結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)針對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)尺寸和幾何結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)可調(diào)控性；3. 同時(shí)捕獲可控的顆粒團(tuán)簇很難實(shí)現(xiàn)。

圖1 實(shí)時(shí)飛秒激光雙光子光刻用于100%顆?；蚣?xì)胞捕獲

該工作首次報(bào)道了結(jié)合可控流體的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了100%顆?；蚣?xì)胞的單捕獲。研究團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)制造了一定高度的微流控芯片，向芯片中通入包含有目標(biāo)微顆?；蚣?xì)胞的光刻膠或水凝膠；通過圖像實(shí)時(shí)觀測(cè)篩選目標(biāo)顆粒，然后快速控制液體停流；使用飛秒激光在目標(biāo)顆?；蚣?xì)胞周圍加工微柱陣列；最后洗掉光刻膠或水凝膠，得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)用于后續(xù)單細(xì)胞分析。單細(xì)胞或顆粒的捕獲效率接近100%，且捕獲目標(biāo)的幾何尺寸和形狀實(shí)時(shí)可調(diào)，另外還可以實(shí)現(xiàn)可控?cái)?shù)目的顆粒團(tuán)簇的捕獲。

Nature Photonics雜志副主編Noriaki Horiuchi在news&views專欄評(píng)述該項(xiàng)工作：該研究組提出了一個(gè)新的捕獲策略——實(shí)時(shí)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(biāo)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(diǎn)：首先，捕獲效率大幅度提升，接近100%，且單細(xì)胞捕獲時(shí)間僅僅為400 ms；其次，可以根據(jù)目標(biāo)顆粒/細(xì)胞的尺寸和幾何形狀實(shí)時(shí)調(diào)控捕獲結(jié)構(gòu)，從而提高了該方法在多種細(xì)胞中捕獲目標(biāo)細(xì)胞的精確度；最后，該方法可以實(shí)現(xiàn)任意的單細(xì)胞捕獲圖案以及可控團(tuán)簇細(xì)胞或顆粒的捕獲；該技術(shù)有望在單細(xì)胞分析、光流體以及細(xì)胞計(jì)數(shù)領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。

工程科學(xué)學(xué)院微納米工程實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期從事飛秒激光微納加工用于粒子/細(xì)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(xì)力自組裝方法加工了長(zhǎng)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(xì)胞并用于細(xì)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(xué)學(xué)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(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院科研裝備研制項(xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等項(xiàng)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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