Быстрое изготовление и дешёвое однослойное микрофлюидное устройство для высокопроизводительного трёхмерного гидродинамического фокусирования

Почему уменьшение размеров тонких потоков важно

Современная медицина всё чаще зависит от анализа огромного числа отдельных клеток по одной — например, чтобы обнаружить раковые клетки в моче или крови. Чтобы делать это быстро и недорого, клетки часто направляют через тончайшие каналы на микрочипах, где их проверяют лазерами или камерами. Но чтобы получать чёткие и надёжные изображения на экстремальных скоростях, каждая клетка должна проходить почти точно через одно и то же маленькое место. В этой статье представлен новый способ изготовления таких чипов, который позволяет жёстко направлять клетки в узкий трёхмерный поток даже на очень высоких скоростях, используя устройство, которое производится быстрее и дешевле, чем современные стандартные системы.

Направляя клетки при помощи «полос движения» в потоке

Внутри микрофлюидного чипа клетки движутся в центральном потоке образца, в то время как окружающие «обтекатели» (sheath) действуют как невидимые ограждения, мягко сжимая образец к центру. Ранние конструкции обычно могли фокусировать клетки только в боковом направлении, а не по вертикали, или требовали сложных многослойных структур, которые медленно и дорого изготавливаются. Авторы разработали однослойный канал, который при этом обеспечивает полный трёхмерный контроль. Сначала образец соединяется с вертикальным обтекателем на косом Т-образном ответвлении, которое сужается по длине. Из-за формы канала и инерции жидкостей на больших скоростях поток образца смещается к верхней половине канала. Далее, два соответствующих боковых обтекателя ниже по течению сжимают поток слева и справа, защёлкивая уже поднятый образец в узкую центральную нить, проходящую через окно детектирования.

Изготовление лучших чипов за минуты, а не часы

Большинство исследовательских микрофлюидных чипов сегодня изготавливаются из мягкого силикона (PDMS) с помощью софт-литографии — процесса, требующего нескольких этапов нагрева и отверждения и занимающего час и более на устройство. PDMS легко формуется, но при высоком давлении деформируется, из-за чего каналы раздуваются и сфокусированный поток растекается. Новое устройство использует твёрдый пластик — полиуретанакрилат (PUA), формуемый по процессу «двойной передачи». Сначала воспроизводимый PDMS-штамп с выступающими элементами каналов отливают с кремниевой матрицы. Жидкий PUA затем заливают в этот штамп, отверждают ультрафиолетом и аккуратно отслаивают, формируя слой каналов. Отдельное плоское стекло, покрытое PUA, служит основанием. Две поверхности PUA выравнивают, прижимают друг к другу и связывают короткой УФ-обработкой. Поскольку каждый этап отверждения занимает считанные секунды и не требует длительного запекания, полный чип можно изготовить примерно за пять минут — примерно в десять раз быстрее, чем традиционные методы.

Тестирование потока и контроль деформации

Чтобы понять, насколько хорошо работает конструкция, команда сочетает компьютерные моделирования с экспериментами. Сначала они моделируют, как изменение скоростей потока образца и обтекателей влияет на форму сфокусированного ядра. Результаты показывают, что увеличение вертикального и боковых обтекателей помогает сужать образец по высоте и ширине, а более высокие общие скорости (больше число Рейнольдса) дополнительно улучшают фокусировку. Затем они моделируют, как стенки канала деформируются при изготовлении из мягкого PDMS по сравнению с жёстким PUA. При реалистичных высокоскоростных условиях стенки PDMS выпячиваются более чем на сотни микрометров, чего достаточно, чтобы исказить поток настолько, что образец расслаивается и дрейфует к углам. Напротив, PUA деформируется менее чем на сотни нанометров — фактически жёстко в этом масштабе — поэтому сфокусированный поток остаётся центрированным и узким даже при высоком давлении.

Наблюдение настоящих клеток на экстремальных скоростях

Кроме проверки с окрашенными красителями, авторы оценивают устройство с помощью оптической микроскопии с растягиванием во времени (OTS) — метода, преобразующего ультрабыстрые лазерные импульсы в молниеносные линейные сканирования, позволяющие получать миллионы линий изображений в секунду. Они пропускают обработанные образцы мочи от пациентов с раком мочевого пузыря через чип при возрастающих скоростях потока, в то время как OTS записывает двумерные изображения каждой проходящей клетки. Поскольку оптическая система имеет очень тонкую фокальную область, любая клетка, отклонившаяся вверх или вниз, выглядит размытой, что даёт прямую меру вертикальной фокусировки. При скоростях от 3,3 до 16,7 метров в секунду доля чётко сфокусированных изображений растёт, достигая 98,4% при наивысшей проверенной скорости. Боковую фокусировку оценивают, измеряя отклонение центров клеток от средней линии канала; это смещение уменьшается с ростом скорости, что соответствует примерно 95,0% эффективности боковой фокусировки при 16,7 м/с.

Что это значит для будущего анализа клеток

Проще говоря, исследователи показывают, что простая однослойная пластмассовая микросхема может надёжно направлять клетки в плотный, хорошо контролируемый поток во всех направлениях, даже в условиях, требующих ультрабыстрой съёмки. Сочетая материал, сопротивляющийся деформации, с умной схемой обтекателей, они избегают механических ограничений мягких силиконовых устройств, одновременно значительно сокращая время изготовления. Это упрощает производство большого числа идентичных чипов для клинического и промышленного применения и проведение крупномасштабных высокопроизводительных тестов на реальных образцах пациентов. В результате технология предлагает практичный путь к более быстрым и точным инструментам скрининга клеток, которые могут принести пользу диагностике, мониторингу рака и другим приложениям, зависящим от тщательного изучения огромного числа отдельных клеток.

Цитирование: Yan, R., Wei, S., Weng, Y. et al. Rapid-manufacturing and cost-effective single-layer microfluidic device for high-throughput three-dimensional hydrodynamic focusing. Microsyst Nanoeng 12, 87 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01212-5

Ключевые слова: микрофлюидная проточная цитометрия, 3D гидродинамическое фокусирование, высокопроизводительный анализ одиночных клеток, микрофлюидные чипы из полиуретанакрилата, оптическая микроскопия с растягиванием во времени