在液滴中高效率地封裝單個功能化微球對基于液滴的高通量分析具有至關重要的作用，如單細胞基因組學和數字免疫分析。然而，由于微球在液滴中的泊松分布，這些需求一直受到限制。盡管慣性微流控等技術已經被證明對提高微球的裝載效率有益，但仍然需要一種不依賴嚴格的流動條件或復雜的微流控設計的高效率微球裝載方法。

近期，上海科技大學劉一凡課題組與合作者一起開發了一種通過對微球進行水凝膠涂層來實現其在微流控通道中的有序、緊密排列及液滴裝載的策略，從而將硬質微球的裝載效率提高到80%以上。相關研究成果以“Exceeding 80% efficiency of single-beadencapsulation in microdroplets through hydrogel coating-assisted closepackedordering”為題發表在Analytical Chemistry期刊上，并被選作封面文章。

在該項研究中，研究團隊通過在硬質微球表面覆蓋一層薄水凝膠，制備出了水凝膠包裹硬質微球（HRBs）。這種HRBs具有軟凝膠微球的特性（如柔軟、光滑和可壓縮），因此可以像水凝膠微球一樣在微流控通道中有序、緊密排列，并以高效率封裝進入液滴，實現液滴中超泊松分布硬質微球裝載。

圖1 通過水凝膠涂層輔助排列從而實現液滴中高效率微球裝載示意圖：傳統硬質微球包裹進入液滴時服從泊松分布，導致大量空液滴。HRBs由于其能夠在微流控通道中有序、緊密排列進入液滴，從而能夠實現微球的高效率超泊松分布裝載

研究人員采用噴射微流控（jetting microfluidics）和渦旋乳化（Vortex emulsification）兩種方法來制備HRBs，其中噴射微流控制備的HRBs具有更高的均一性，同時噴射能夠降低一個液滴中包含兩個或更多微球的比例。渦旋乳化制備HRBs的優勢在于操作簡單、通量高，容易實現大規模生產，但其缺點是會產生較高比例的單液滴中多微球包裹的情況。

圖2 HRBs的制備與表征：（a）通過噴射微流控和渦旋乳化制備HRBs的示意圖；（b）噴射微流控芯片中液滴生成由滴落到噴射的轉化；（c）兩種方法制備的含微球的液滴和相應的HRBs；（d）噴射微流控制備的含微球的液滴以及相應的HRBs的粒徑分布；（e）噴射微流控能夠將粘附微球分散開，從而減少液滴中多個微球包裹的概率；（f）兩種方法制備的HRBs的雙包率統計；（g）兩種方法制備HRBs的通量比較

在成功制備好HRBs之后，研究人員將其通入設計好的含有兩個十字通道的微流控芯片中測試微球的高效率裝載。實驗結果表明微球能夠在芯片上有序、緊密排列，并以高效率的方式，隨液滴生成同步包裹進入液滴中，并能夠實現約81%的裝載效率。

圖3 HRBs高效率裝載進入液滴中：（a）微流控芯片設計模式圖；（b）噴射微流控和渦旋乳化兩種方法制備的HRBs裝載進入液滴后的明場圖片，其中黃色為單微球裝載液滴，綠色為多微球裝載液滴；（c）兩種方法制備的HRBs裝載進入液滴后的液滴直徑統計；（d）兩種方法制備的HRBs裝載進入液滴的效率比較；（e）噴射微流控制備的HRBs裝載進入液滴的情況與泊松分布比較；（f）該工作微球裝載效率和一些現有技術進行比較

在驗證了HRBs的高效率封裝之后，研究人員嘗試將HRBs和單細胞共同封裝，并進行單細胞轉錄組測序分析。其中用于制備HRBs的硬質微球為含有特定寡核苷酸序列的Drop-seq3微球。研究結果表明，基于Drop-seq微球制備的HRBs能夠與細胞高效率配對，同時測序結果也表明，利用HRBs進行的單細胞轉錄組測序數據質量與傳統Drop-seq微球相當。

圖4 水凝膠包裹Drop-seq微球和細胞進行液滴中高效率配對：（a）含有特定寡核苷酸序列的Drop-seq微球制備成HRBs模式圖；（b）裸露的Drop-seq微球和對應的制備成的HRBs的明場圖及相應直徑分布；（c）HRBs和細胞共同包裹進入液滴的示意圖；（d）HRBs和細胞共同包裹進入液滴的結果圖；（e）HRBs和細胞共同包裹進入液滴后包裹比例統計；（f）該工作的細胞捕獲效率和幾個代表性的單細胞測序進行比較；（g）裸露的Drop-seq微球和相應的HRBs分別對HEK293T細胞進行單細胞轉錄組分析統計

綜上所述，該研究介紹了一種利用水凝膠涂層輔助的高效率超泊松分布微球裝載策略。在實驗中，微球的最高裝載效率能達到80%，超過了傳統泊松分布以及現有的基于慣性微流控超泊松分布的方法。此外，微球和細胞共包裹實驗表明使用該策略能夠顯著增加細胞-微球配對效率，并進行高通量單細胞轉錄組測序分析。

這項工作得到了國家重點研究與發展計劃、國家自然科學基金和上海市科學技術委員會等的支持。中科院上海高等研究院博士研究生陳龍、趙毅博士和上海科技大學博士研究生李婕為共同第一作者，上海科技大學劉一凡教授、上海微系統所宓現強教授和復旦大學張經緯教授為共同通訊作者。

審核編輯：劉清