Le cœur de la technologie microfluidique est la manipulation précise des fluides à l'échelle micrométrique. Cette technologie fournit un support technique efficace et à faible consommation pour la recherche pertinente, avec une valeur d'application importante dans les domaines de la synthèse chimique, de la recherche biologique, du diagnostic des maladies, etc. Du point de vue du développement technologique, les systèmes microfluidiques sont principalement divisés en deux catégories: l'une est le « Laboratoire sur puce (LOC) », qui permet l'intégration de la manipulation des fluides avec des expériences en plusieurs étapes en gravant des microcanaux sur de minuscules puces, mais son environnement fermé conduit à une mauvaise Accessibilité Des échantillons, à des coûts de fabrication plus élevés et à des compétences opérationnelles spécialisées pour le chargement et le déchargement des échantillons; Une autre catégorie est le dispositif microfluidique ouvert, bien que résolvant le problème de l'accessibilité du système fermé, il est difficile d'obtenir un pompage continu stable, doncIl y a des limites à l'achèvement d'un processus expérimental complexe et en plusieurs étapes- Oui.

Le domaine de la recherche scientifique a longtemps été confronté à un défi central: comment obtenir un pompage à flux continu stable et contrôlable avec un fonctionnement intégré en plusieurs étapes tout en conservant des caractéristiques ouvertes et faciles à utiliser. Ce problème est devenu un obstacle à l'application généralisée de la technologie microfluidique dans les scénarios de recherche scientifique traditionnels, et une conception innovante basée sur l'inspiration biologique fournit des idées novatrices pour résoudre ce problème difficile.

Récemment,L'équipe du professeur Liu Xiaoming de l'Université de technologie de Beijing dans PNASPublié en ligne dans le journal intitulé« Laboratoire sur une extrémité : Micromanipulation en utilisant le tableau acoustohydrodynamique de piliers comme effecteur final »La thèse.La recherche a été inspirée par les caractéristiques de mouvement synergique de la structure ciliaire pour concevoir un dispositif de réseau de microcolonnes acoustiques fluides appelé « Lab on an end (loe, End Lab) ».L'environnement ouvert microfluidique est compatible avec la manipulation continue des fluides dans l'espace - temps, démontrant une capacité de manipulation Multi - échelle, polyvalente et flexible des particules, des cibles biologiques et des liquides à micro - échelle.

Tout d'abord, l'équipe utiliseMicrostéréolithographie par projection faciale de précision (pμsl) technologie d'impression 3D (nanoarch) ® P140， Précision: 10 μm)Un actionneur d'extrémité en peigne a été réalisé. Sous l'impulsion d'un transducteur ultrasonore, un champ sonore et un phénomène Acousto - fluidique local seront créés à proximité de l'actionneur d'extrémité. En modulant la fréquence et l'amplitude du signal d'entrée, le fluide acoustique peut présenter trois effets: le flux de transport intra - plan, le flux de rotation extra - plan et la capture basée sur la force radiative acoustique, qui à son tour remplit des fonctions telles que la capture, la translation, la rotation et le Transport bidirectionnel de micro - cibles, cibles opérationnelles couvrant des cellules Hela de plusieurs microns à des semis de poisson zèbre à l'échelle millimétrique. De plus, l'impression 3D de la surface de l'extrémité en forme de peigne crée une grande force capillaire, ce qui permet de tirer les gouttelettes pour se déplacer sur la surface hydrophobe.

Pour vérifier la capacité du loe à manipuler des cibles individuelles, les chercheurs ont vérifié les trois effets acoustiques mentionnés ci - dessus avec un traceur de particules (figures 2a - 2c) et ont également vérifié leurs capacités de capture, de translation, de rotation et de transport bidirectionnel vers la cible avec des particules de polystyrène (PS) de 100 μm de taille (figures 2D - 2G). Comparé à d'autres actionneurs d'extrémité, le loe est également capable de manipuler en parallèle, et les chercheurs ont démontré la capacité d'arranger les particules dispersées en motifs « BIT» en manipulant plusieurs cibles simultanément (figure 2H).

En s'appuyant sur la manipulation de particules individuelles, les chercheurs ont exploré davantage les applications de loe dans différents domaines de la recherche biomédicale et chimique.

Les chercheurs ont utilisé loe pour compléter un processus de manipulation cellulaire in vitro de « bout en bout» pour la reproduction assistée. Tout d'abord, capturer les ovocytes dispersés partout en utilisant la fonction de capture de loe et les organiser en rangées (figure 3b); D'autre part, le transport des ovocytes capturés vers la fenêtre de manipulation par un flux continu de transfert intrafacial de loe et la focalisation du champ de vision microscopique à l'intérieur de la fenêtre (figure 3c); Enfin, l'attitude des ovocytes à l'intérieur de la fenêtre de manipulation est ajustée à l'aide du flux rotatif continu extra - facial de loe, qui est observé et réorienté (figure 3D). Les ovocytes redirigés peuvent continuer à se développer en embryons après injection intracytoplasmique de spermatozoïdes (figure 3e); Au cours du développement embryonnaire, son état à différentes périodes peut être observé en continu par loe et la qualité du développement embryonnaire peut être évaluée à l'aide de techniques de reconstruction tridimensionnelle à vision microscopique (figure 3f - 3G). Les opérations complexes multi - étapes décrites ci - dessus peuvent être réalisées au moyen d'un même actionneur d'extrémité, illustrant sa capacité à réaliser des traitements complexes multi - étapes avec un "flux continu spatio - temporel".

Deuxièmement, les chercheurs ont effectué c. elegans avec loe (C. élégans), une étude de caractérisation morphologique. La matrice d'actionneurs d'extrémité dans différentes positions de cellules d'extrémité peut produire un flux continu dans le temps stable et cohérent, assurant une rotation et un transport stables des cibles à rapport longueur / diamètre élevé telles que les nématodes. Les chercheurs ont également proposé une technique d'imagerie confocale locale des nématodes: l'imagerie de haute précision de différents sites de nématodes sous différents angles en ajustant la position et l'attitude des nématodes par loe, évitant ainsi que l'information de fluorescence chromatographique ne soit perturbée par la superposition de différents signaux de fluorescence planaires (Figure 4).

Troisièmement, les chercheurs ont confirmé la supériorité de loe dans la manipulation des liquides. Semblable à d'autres plates - formes microfluidiques ouvertes, loe permet une capture et un transport stables des gouttelettes d'eau sur des surfaces hydrophobes ou en milieu huileux (figure 5a). Contrairement à d'autres appareils, le loe accélère également le mélange de fluides visqueux à micro - échelle et le processus de dissolution de particules solides sous l'action de fluides acoustiques, ce qui résout efficacement le problème de la diffusion difficile des interfaces à haute concentration de fluides à faible nombre de Reynolds (figures 5b - 5c). Les chercheurs ont également conçu des scénarios expérimentaux dans lesquels loe favorise les réactions chimiques, en particulier dans les réactions chimiques contenant des précipités ou générées par des gaz difficiles à traiter avec les puces loc traditionnelles, où loe présente des avantages significatifs (figure 5d). Avec une configuration préprogrammée, loe simule également les capacités de « traitement de sérialisation » des microfluides pour effectuer des réactions chimiques complexes en plusieurs étapes.

En outre, les chercheurs ont également vérifié la capacité de loe dans le fonctionnement unicellulaire et multicellulaire. La sélection de lignées cellulaires Hela classiques dans le domaine des sciences de la vie a d'abord confirmé leur capacité à manipuler des cellules uniques telles que la capture, le transport, la rotation, etc. (figure 6a). En outre, loe peut être utilisé comme un outil de manipulation à haut débit pour permettre l'agrégation de cellules Hela (Figure 6B) et a des fonctions telles que la transfection cellulaire et la délivrance de médicaments (figures 6c - 6d).

Résumé: loe permet une combinaison de « manipulation ouverte et facile» et de « Traitement Multi - étapes à flux continu» - à la fois flexible et pratique, économique et rapide pour les unités ouvertes, et capable de mener à bien des expériences complexes comme un laboratoire sur puce.L'appareil n'a pas besoin de compétences opérationnelles professionnelles, s'applique aux laboratoires ordinaires, promet de promouvoir la popularité de la technologie microfluidique dans la synthèse chimique, la recherche biologique, la reproduction assistée et d'autres domaines, fournissant des outils efficaces et pratiques pour la recherche scientifique pertinente, aidant à réaliser des percées de recherche dans des domaines connexes.