液體交換功能和微流控芯片的集成在生物醫學和生物物理學領域發揮著至關重要的作用，因為其能夠控制細胞外環境，并且同時實現對單細胞的刺激和檢測。為了在微流控器件中實現液體交換，以往的一些研究驗證了幾種方法。其中，在封閉式微流控芯片中，研究人員通常采用多重層流法來進行液體交換。然而，在層流法中，要實現高速的液體交換，需要較高的注入電壓。相應地，注入電壓的增加會對微流控芯片的力傳感器產生更大的干擾。此外，層流法還存在一些其它的缺點，例如，對大多數封閉式微流控芯片而言，其樣品處理和分析通常發生在封閉的微通道內，這對外部工具的使用和樣品制備施加了限制。此外，如何控制封閉微通道內液體交換的位置和壓力也是一個挑戰。另一種方法是利用具有泵系統的探針。該方法的優點是溶液交換是在局部開放空間中實現的，因此不會干擾周圍的液體。

據麥姆斯咨詢報道，來自日本名古屋大學（Nagoya University）、東京大學（The University of Tokyo）和東北大學（Tohoku University）的研究人員開展了系列實驗，以研究集胞藻（Synechocystis?sp.）菌株PCC6803的機械力敏感（MS）通道對滲透壓變化的響應。在先前的一項實驗中，研究人員設計了一種集成液體交換和力測量功能的封閉式微流控芯片來研究集胞藻在滲透壓變化下的動態響應。研究結果顯示，在該微流控芯片中，液體交換時間約為0.5 s，與其它已有研究中集胞藻對滲透壓變化的響應時間（約為20 ms）相比，其響應時間相對較長。因此，該項研究并且沒有完全捕捉到細胞的精確響應過程。

為了解決以上問題，該研究團隊在先前研究的基礎上進一步提出了一種測量單細胞瞬態響應的新方法，該方法利用一種集成了具有雙泵系統的探針、微流控芯片、光鑷、外置機械臂和外置壓電執行器等組件的系統，實現了以極高的時間分辨率測量細胞對滲透性沖擊的瞬態響應。相關研究成果近期以“Integration of Microfluidic Chip and Probe with a Dual Pump System for Measurement of Single Cells Transient Response”為題發表在Micromachines期刊上。

圖1 （a）實驗裝置及具有雙泵系統的探針和探針尖端的圖像；（b）采用雙泵系統的探針示意圖

在該項研究中，為了進行概念驗證，研究人員首先設計了雙管移液器，并且將其與兩個壓電泵組裝在一起構建了具有雙泵系統的探針，該探針允許同時進行液體的注射和吸入。在此基礎上，研究人員制造了具有片上探針的微流控芯片，并且對集成的力傳感器進行了校準。

圖2 集成式微流控芯片圖像及制造工藝

隨后，研究人員對具有雙泵系統的探針性能進行了表征，并且考察了分析位置和面積對評估液體交換時間的影響。接著，研究人員進一步考察了注入電壓對液體交換度的影響，并且在此基礎上優化了施加的注入電壓，實現了完全的液體交換，其平均液體交換時間約為3.33 ms。

圖3 液體交換過程

圖4 分析區域位置和面積對評估液體交換時間的影響

此外，為了準確評估液體交換對傳感器探針的干擾，研究人員用與集胞藻細胞具有相似楊氏模量和大小的聚二甲基硅氧烷（PDMS）珠代替了細胞，因為聚二甲基硅氧烷珠的體積不受滲透壓變化的影響。研究結果顯示，在傳感器探針的位移數據中幾乎不能觀察到與液體交換相關的干擾。并且，與層流法中封閉式微流控芯片內由液體交換引起的干擾相比，具有雙泵系統的探針實現了局部液體交換，從而顯著降低了液體交換過程下的干擾，提高了力傳感器的測量精度。

圖5 注入電壓對液體交換度的影響以及液體交換對位移測量的干擾

未來，研究人員將繼續比較野生型和突變型（機械力敏感通道缺陷）集胞藻細胞在高速滲透壓變化下的響應，以揭示機械力敏感通道的生理功能。此外，過大的壓縮力可能會損壞細胞，因此，在未來的實驗中，研究人員將進一步評估壓縮力對細胞的影響。

審核編輯：劉清