名古屋大学、东京大学和东北大学：双泵探针与微流控芯片集成，用于测量单细胞瞬态响应

集成微流控芯片技术在生物医学和生物物理学领域展现了巨大的潜力，它能够实现细胞分离、捕获以及检测单细胞等多种功能。液体的交换和微流控芯片的集成也起着关键性作用，这使得研究者能够精确调控细胞外环境，并同步刺激与检测单个细胞，从而实时观察到细胞响应的细致与动态变化。为了精确测量细胞在刺激下的瞬态反应，高速液体交换和精确的测量技术也变得至关重要。

在本研究中，来自日本名古屋大学、东京大学和东北大学的团队研发了一种集成了微流控芯片和双泵探针的系统来测量单个细胞瞬态响应的新方法。该系统由双泵探针、微流控芯片、光学镊子、外部机械臂、外部压电执行器等组成。研究团队将双泵探针集成在一起，以实现高速液体交换，并通过局部流控制技术，确保芯片上的单个细胞接触力检测几乎不受干扰。借助该系统，研究团队能够以极高的时间分辨率精确测量细胞对渗透性冲击的瞬态响应。

相关研究以“Integration of Microfluidic Chip and Probe with a Dual Pump System for Measurement of Single Cells Transient Response”为题发表在国际著名期刊《Micromachines》上。

首先，团队设计了双管移液器，并与两个压电泵组装成了一个能够同时进行液体注射和抽吸的双泵探针系统。该探针尖端由摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch^® S130，精度：2 μm）制备而成。然后，研究人员制备了带有探针的微流控芯片，并对集成的力传感器进行了校准。

图1.(a) 实验装置及具有双泵探针和探针尖端的图像；(b) 采用双泵探针系统示意图。

图2. (a) 集成式芯片的图像；(b) 测量区域的显微镜图像；(c) 集成式芯片的制造过程。

图3.  (a) 力测量过程的概念；(b) 探针和力传感器的图像；(c) 作为弹簧力传感器的空心折叠梁结构；(d) 力传感器的校准数据和理论值示例（蓝色点表示校准后使用力传感器测量的数据，橙色曲线表示理论值）；(e) 通过测量传感器探针位移数据的3σ来评估力传感器的稳定性。D₀: 原始细胞直径；δ_s, δ_p: 传感器和探针的位移；L: 梁结构的长度；σ: 标准偏差。

接下来，研究团队对双泵探针系统的性能进行了细致的表征，并深入研究了分析位置和面积对液体交换时间的影响。此外，团队还通过优化注射电压，确保了液体浓度变化的完整性，使得平均液体交换时间缩短至约3.33毫秒。实验结果表明，力传感器在液体交换过程中仅受到轻微干扰。利用这一系统，团队成功测量了渗透压冲击下Synechocystis sp. PCC 6803菌株的变形和反应力，平均响应时间约为16.33毫秒，从而揭示了在毫秒级渗透压冲击下压缩的单个细胞的瞬态响应。

图4. (a) 使用光学镊子系统捕获并定位单个细胞在两个芯片探针之间；(b) 使用外部压电执行器压缩目标细胞；(c）利用3D机械臂将探针尖端移动到预定位的位置；(d) 从注射桶注入LOC溶液，同时从抽吸桶抽吸探针尖端下方的液体，此时细胞外环境从HOC溶液变为LOC溶液；(e) 外部压电执行器释放探针，并将探针尖端沿垂直方向远离芯片表面。

图5. 分析区域的位置和面积对评估液体交换时间的影响。(a) 测量区域的显微镜图像。不同颜色的圆圈表示用于分析灰度级的位置，相邻的圆圈描述了相应的液体交换时间。(b) 分析区域的位置对评估液体交换时间的影响。拟合曲线的颜色与分析区域的颜色相对应。（c）分析在直径为2、4和6 μm的同心圆形区域（绿色圆圈）中液体交换期间灰度值的变化。

此外，为了准确评估液体交换对传感器探针的干扰，研究团队用与Synechocystis sp. PCC 6803菌株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，具有双泵探针系统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6. 注入电压对液体交换程度和液体交换对位移测量的干扰的影响。(a) 注入电压对液体交换程度的影响。当注入电压超过20伏时，灰度值的变化趋于稳定，这意味着细胞外溶液已完全交换；(b) 液体交换期间灰度级变化和相应的传感器探针干扰。

综上所述，研究团队开发了一个集成了微流控芯片和双泵探针的系统，用于研究单个Synechocystis细胞的瞬态响应。该系统能在芯片表面局部快速地进行液体交换，且对周围环境干扰极小。系统的平均液体交换时间约为3.33毫秒，比之前的成果快了100倍以上，甚至比细胞对渗透压变化的响应时间还要快，这使得能够更精确地揭示单个细胞的瞬态反应。由于MS通道能够感知膜张力，细胞的压缩或膨胀揭示了MS通道的特征。本研究的成果证明了所开发系统在准确研究单个细胞响应方面的有效性，并为生物物理学和生物医学领域的未来研究提供了有益的见解。