用于高通量三维流体聚焦的快速制造且具有成本效益的单层微流控器件

为什么缩小微小流束很重要

现代医学越来越依赖对大量单细胞逐一观察，例如在尿液或血液中检测癌细胞。为了快速且廉价地完成这一任务，细胞经常被送入微芯片上头发丝般的通道，利用激光或相机进行检查。但要在极高速度下获得清晰、可靠的图像，每个细胞都需要几乎通过完全相同的微小位置。本文提出了一种新的芯片制造方法，使得在非常高的流速下也能将细胞紧密地引导成窄的三维流束，而且该器件比现有主流系统制造更快、更便宜。

用流动的“车道”引导细胞

在微流控芯片内部，细胞随中心样品流运动，周围的“护套”流体像看不见的护栏一样，轻柔地将样品挤向中心。早期设计通常只能实现左右方向的聚焦，而无法在上下方向控制，或依赖复杂的多层结构，这些结构制造缓慢且成本高。作者设计了一个单层通道，仍能实现完整的三维控制。首先，样品在一个成角度的T形交汇处与垂直护套流汇合，通道沿长度方向变窄。由于通道形状和高速度下液体的惯性，样品流被推向通道的上半部分。接着，在下游两个对称的侧护套从左右挤压，夹紧已被抬升的样品，使其成为穿过检测窗口的紧致中心细丝。

几分钟而非数小时内制造更好的芯片

目前大多数研究用微流控芯片采用柔软的硅胶（PDMS）用软光刻法制造，该工艺需要多次加热和固化步骤，每个器件可能耗时一小时或更久。PDMS易于成型但在高压下会弯曲，导致通道胀起，使聚焦流束变宽。新器件使用一种称为聚氨酯丙烯酸酯（PUA）的硬塑料，通过“二次转移”工艺成型。首先，从硅模具铸出带有凸起通道特征的可重复使用PDMS模具。然后将液态PUA倒入该模具，在紫外光下固化并剥离以形成通道层。另取一块涂有PUA的玻璃片作为基底。将两块PUA表面对准、压合，并用短暂的紫外照射粘合在一起。由于每次固化仅需数秒且无需长时间烘烤，完整芯片可在大约五分钟内制成，约比传统方法快十倍。

测试流动并抑制变形

为了解设计的效果，团队将计算机模拟与实验相结合。首先，他们模拟改变样品流和护套流速如何影响聚焦核心的形状。结果显示，增加垂直和侧向护套流都能有助于在高度和宽度上收窄样品流，而更高的总体速度（更高的雷诺数）进一步改善聚焦。随后他们模拟了当通道由柔软的PDMS与刚性的PUA制成时壁面如何变形。在逼真的高速条件下，PDMS壁面会隆起超过一百微米，足以严重扭曲流动，使样品分裂并漂向角落。相比之下，PUA的变形小于一百纳米——在该尺度上可视为刚性——因此聚焦流即使在高压下也能保持居中且紧致。

在极高速度下观察真实细胞

除了染料示踪实验，作者还使用光学时间拉伸（OTS）显微镜对器件进行评估，这是一种将超快激光脉冲转换为快速线扫描的技术，可实现每秒百万级的线图像采集。他们将来自膀胱癌患者的处理后尿样以递增流速送入芯片，同时用OTS记录每个经过细胞的二维图像。由于光学系统具有非常薄的焦平面，任何在上下方向偏离的细胞都会显得模糊，从而直接衡量垂直聚焦情况。在3.3到16.7米/秒的速度范围内，清晰聚焦图像的比例随速度上升，在最高测试速度达到98.4%。通过测量细胞中心相对于通道中线的偏移来评估横向聚焦；该偏移随速度减小，在16.7米/秒时对应约95.0%的横向聚焦效率。

这对未来细胞分析意味着什么

简而言之，研究人员展示了一个简单的单层塑料芯片能够在所有方向上可靠地将细胞引导成紧密且可控的流束，即便在超高速成像所需的苛刻条件下亦然。通过将抗变形材料与巧妙配置的护套流相结合，他们规避了柔软硅胶器件的机械限制，同时显著缩短了制造时间。这使得批量生产一致性高的芯片以供临床和工业使用变得更容易，并便于对真实患者样本进行大规模高通量检测。因此，该技术为更快、更精确的细胞筛查工具提供了切实可行的途径，有望惠及诊断、癌症监测及其他依赖对大量单细胞进行细致观察的应用。

引用: 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

关键词: 微流控流式细胞术, 三维流体聚焦, 高通量单细胞分析, 聚氨酯丙烯酸酯微流控芯片, 光学时间拉伸显微镜