El núcleo de la tecnología de control de microfluídicos es lograr un control preciso de los fluidos a escala de micras. Esta tecnología proporciona un soporte técnico eficiente y de bajo consumo para la investigación relacionada, y tiene un importante valor de aplicación en síntesis química, investigación biológica, diagnóstico de enfermedades y otros campos. Desde el punto de vista del desarrollo tecnológico, los sistemas de control de microfluídicos se dividen principalmente en dos categorías: una es el "laboratorio en un chip (loc)", que integra el control de fluidos y los experimentos en varios pasos grabando microchips en microchips, pero su entorno cerrado hace que las muestras sean menos accesibles, los costos de fabricación sean más altos y la carga y descarga de muestras requieran habilidades operativas profesionales; La otra categoría son los dispositivos de control de microflujo abiertos, aunque resuelven el problema de la accesibilidad del sistema cerrado, es difícil lograr una bomba de flujo continuo estable, por lo queHay limitaciones para completar procesos experimentales complejos y de varios pasos..

Durante mucho tiempo, el campo de la investigación científica se ha enfrentado a un desafío central: cómo lograr una operación integrada estable y controlable de bombeo de flujo continuo y múltiples pasos bajo la premisa de mantener las características abiertas y fáciles de operar. Este problema se ha convertido en una restricción para la popularización y aplicación de la tecnología de control de microfluídicos en los principales escenarios de investigación científica, y un diseño innovador basado en la inspiración biológica está proporcionando una idea innovadora para resolver este problema.

Recientemente,El equipo del Profesor Liu Xiaoming de la Universidad Tecnológica de Beijing está en pnas.La revista publicó en línea el título“Laboratorio en un extremo: Micromanipulación utilizando la matriz de pilares acusticohidrodinámicos como efector final”Obras maestras.El estudio se inspiró en las características del Movimiento sinérgico de la estructura ciliada y diseñó un dispositivo de matriz de microcuerpos de fluidos acústicos llamado "lab on an end (loe, laboratorio final)".Se logra la compatibilidad entre el entorno abierto de Microfluidos y el control continuo de fluidos en el tiempo y el espacio, mostrando la capacidad de control cruzado, multifuncional y flexible de partículas a microescala, objetivos biológicos y líquidos.

En primer lugar, el equipo aprovechaLitografía micro - estereoscópica de proyección de superficie de precisión mozambiqueña (p μsl) tecnología de Impresión 3D (nanoarco) ® P140， Precisión: 10 μm)Se ha fabricado un ejecutor final en forma de peine. Impulsado por un sensor ultrasónico, se producirán campos acústicos y fenómenos de fluidos acústicos locales cerca del ejecutor final. Al modular la frecuencia y amplitud de la señal de entrada, el fluido acústico puede presentar tres efectos: flujo de transporte intra - plano, flujo de rotación extraplano y captura basada en la fuerza de radiación acústica, logrando así funciones de captura, traducción, rotación y transporte bidireccional de microobjetivos, operando objetivos que cubren células Hela de varias micras a plántulas de Zebra a escala milimétrica. Además, la superficie al final del peine impreso en 3D genera una mayor fuerza capilar, por lo que también puede arrastrar gotas de líquido para moverse en la superficie hidrofóbica.

Para verificar la capacidad de Loe para manipular objetivos individuales, los investigadores verificaron los tres efectos de acción acústica mencionados anteriormente a través de rastreo de partículas (figura 2A - 2c) y verificaron aún más su capacidad de captura, traducción, rotación y transporte bidireccional del objetivo utilizando partículas de poliestireno (ps) del tamaño de 100 micras (figura 2d - 2g). En comparación con otros ejecutores finales, Loe también tiene capacidad de manipulación paralela, y los investigadores han demostrado la capacidad de organizar partículas dispersas en patrones "bit" manipulando múltiples objetivos simultáneamente (figura 2h).

Sobre la base de la manipulación de partículas individuales, los investigadores exploraron aún más la aplicación de Loe en diferentes campos de investigación biomédica y química.

Los investigadores utilizaron Loe para completar el proceso de manipulación celular in vitro de reproducción asistida "de extremo a extremo". En primer lugar, se utiliza la función de captura de Loe para capturar los ovocitos dispersos por todas partes y ordenarlos en una línea (figura 3b); En segundo lugar, los ovocitos capturados se transportan a la ventana de manipulación a través de un flujo de transporte continuo intrafacial de Loe y el campo de visión del microscopio se centra en la ventana (figura 3c); Finalmente, la postura de los ovocitos dentro de la ventana de manipulación se ajusta con la ayuda de un flujo giratorio continuo fuera de la superficie de loe, que se observa y reorienta (figura 3d). Los ovocitos reorientados pueden seguir desarrollándose en embriones después de la inyección de esperma en el plasma (figura 3e); Durante el desarrollo embrionario, se puede observar continuamente el Estado de sus diferentes períodos a través de Loe y evaluar la calidad del desarrollo embrionario con la ayuda de técnicas de reconstrucción tridimensional microvisiológica (figura 3f - 3g). Las operaciones complejas de varios pasos anteriores se pueden completar a través del mismo ejecutor final, lo que refleja su capacidad de utilizar el "flujo continuo espacio - temporal" para el procesamiento complejo de varios pasos.

En segundo lugar, los investigadores utilizaron Loe para llevar a cabo Caenorhabditis elegans.C. eleganosEstudio de caracterización morfológica. La matriz de ejecutores finales puede producir un flujo continuo de tiempo estable y consistente en diferentes posiciones de las unidades finales, lo que garantiza la rotación estable y el transporte de objetivos de gran relación de longitud a diámetro, como los nematodos. Los investigadores también propusieron una técnica de imagen de enfoque común local del nematodo: ajustar la posición y la postura del nematodo a través de Loe y realizar imágenes de alta precisión de diferentes partes del nematodo desde diferentes ángulos, evitando así que la información de fluorescencia tomográfica se vea perturbada por la superposición de diferentes señales de fluorescencia planas (figura 4).

En tercer lugar, los investigadores confirmaron las ventajas de Loe en el manejo de líquidos. Al igual que otras plataformas microfluídicas abiertas, Loe puede lograr la captura estable y el transporte de gotas de agua en superficies hidrofóbicas o en medios de fase petrolera (figura 5a). A diferencia de otros equipos, Loe también puede acelerar el proceso de mezcla de fluidos pegajosos a microescala y disolución de partículas sólidas bajo la acción de fluidos acústicos, lo que resuelve eficazmente el problema de la dificultad de difusión en la interfaz de alta concentración de fluidos de bajo número de Reynolds (figura 5B - 5c). Los investigadores también diseñaron escenarios experimentales en los que el Loe promueve reacciones químicas, especialmente en las que las reacciones químicas que contienen precipitaciones o generación de gas son difíciles de manejar en chips loc tradicionales, el Loe muestra una ventaja significativa (figura 5d). A través de la configuración preprogramática, Loe también puede simular la capacidad de "procesamiento serializado" de los microfluídicos y realizar reacciones químicas complejas en varios pasos.

Además, los investigadores también verificaron la capacidad de Loe en operaciones unicelulares y multicelulares. El estudio seleccionó líneas celulares Hela clásicas en el campo de las ciencias de la vida, confirmando primero su capacidad de manipulación de captura, transporte y rotación de células individuales (figura 6a). Además, Loe también se puede utilizar como una herramienta de manipulación de alto rendimiento para lograr la aglomeración de células Hela (figura 6b) y tiene funciones como la transfección celular y la entrega de medicamentos (figura 6c - 6d).

Resumen: Loe ha logrado una combinación de "apertura y fácil operación" y "procesamiento de múltiples pasos de flujo continuo" - no sólo tiene las características de dispositivos abiertos flexibles y convenientes, bajo costo y rápido inicio, sino que también puede completar experimentos complejos como un laboratorio de chips.El dispositivo no requiere habilidades operativas profesionales y es adecuado para laboratorios ordinarios. se espera que promueva la popularización de la tecnología de microfluídico en síntesis química, investigación biológica, reproducción asistida y otros campos, proporcione herramientas eficientes y prácticas para la investigación científica relacionada y ayude a lograr avances de investigación en campos relacionados.