深圳先進(jìn)院在快速化微液滴生成和高密度顆粒陣列方面取得進(jìn)展

體外診斷是疾病早期篩查和預(yù)后評(píng)估的重要方法，隨著醫(yī)學(xué)和檢測(cè)手段的不斷發(fā)展，體外診斷的精準(zhǔn)性、靈敏性不斷提高，但仍有眾多痕量核酸和蛋白對(duì)高靈敏檢測(cè)方法提出嚴(yán)苛要求，例如重大精神疾病診斷、腫瘤早篩、病原篩查、伴隨診斷等。近年來(lái)以數(shù)字PCR(dPCR)和數(shù)字ELISA(dELISA)為代表的單分子計(jì)數(shù)帶來(lái)了數(shù)字化分子診斷的革命，實(shí)現(xiàn)了前所未有的單分子絕對(duì)定量，比傳統(tǒng)PCR或ELISA靈敏度可提高1000倍，在遺傳病、病原體、癌基因檢測(cè)等分子診斷領(lǐng)域等領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。然而，目前PCR/ELISA的核心技術(shù)被國(guó)外壟斷，國(guó)內(nèi)缺少真正的原創(chuàng)革新技術(shù)，并且目前國(guó)外產(chǎn)品成本高昂、操作復(fù)雜費(fèi)事、通量有限，因此需要開(kāi)發(fā)新型的分子及免疫高靈敏技術(shù)，其技術(shù)核心是高通量的陣列化微流控芯片。

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的微納系統(tǒng)與仿生醫(yī)學(xué)研究中心吳天準(zhǔn)課題組在快速化微液滴生成和高密度顆粒陣列方面取得了重要進(jìn)展。在課題組前期仿生豬籠草超滑表面研究（Sensors and Actuators B: Chemical 235, pp. 732-738, 2016）基礎(chǔ)上，歷經(jīng)幾年潛心研究，創(chuàng)新性地將仿生表面微流控用于新型dPCR和dELISA所需的高通量陣列化，相關(guān)研究成果以論文Ultra-fast Microdroplet Generation and High-density Microparticle Arraying Based on Biomimetic Nepenthes Peristome Surfaces發(fā)表在表界面領(lǐng)域頂級(jí)期刊ACS Applied Materials & Interfaces（IF: 8.758）上。研究助理彭智婷為該論文的第一作者，吳天準(zhǔn)研究員為通訊作者，陳艷研究員為共同作者。

該論文受自然界中豬籠草瓶口特殊三維楔形結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，創(chuàng)新性地將三維傾斜微陣列表面用于高通量液滴、細(xì)胞和顆粒的分散陣列化。論文描述了該3D仿生豬籠草瓶口表面(Nepenthes Peristome Surfaces, NPS)在滑動(dòng)模式下，借助曲率誘導(dǎo)的拉普拉斯壓力實(shí)現(xiàn)了超快微滴生成；以及在爬升模式下，利用蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的馬朗戈尼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了高密度微顆粒的聚集與排列。通過(guò)調(diào)節(jié)接觸角和傾斜角，觀(guān)察到了液滴由于接觸線(xiàn)各向異性的運(yùn)動(dòng)與釘扎，在NPS上表現(xiàn)出不同的潤(rùn)濕現(xiàn)象，且由于不同條件下的膜厚梯度，最終導(dǎo)致微液滴的產(chǎn)生和微顆粒的陣列效果具有顯著的差異。在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)初步優(yōu)化，NPS可在65秒內(nèi)排列粒徑為5微米，覆蓋率為85%的40萬(wàn)個(gè)微珠；可在3秒內(nèi)排列直徑約20微米，覆蓋率為100%的成千上萬(wàn)的微滴。并且，科研人員進(jìn)行了dELISA的概念演示，獲得了各種濃度下良好陣列的免疫復(fù)合物微珠陣列，驗(yàn)證了C型反應(yīng)性蛋白(CRP)的計(jì)算濃度與常規(guī)ELISA測(cè)定的良好一致性。這種精心設(shè)計(jì)的仿生表面表現(xiàn)出了優(yōu)異、便捷的高通量陣列性能，并作為一種超快、通用、直接在水溶液中捕獲和陣列單細(xì)胞的方法，可廣泛應(yīng)用于各種物理、生物和化學(xué)分析，特別是可視化的高通量陣列分析。

(a)不同濃度CRP制劑的微粒子陣列的代表性熒光圖像。標(biāo)尺：80 um。(b)六種不同濃度梯度的CRP試劑。(c)微粒的熒光光密度(O.D.)與CRP的實(shí)際濃度成正比，具有良好的一致性

該論文展示了很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和潛力，可在數(shù)秒到數(shù)十秒之內(nèi)生成數(shù)以萬(wàn)計(jì)的單分散、高密度液滴和微珠陣列。經(jīng)過(guò)后續(xù)技術(shù)完善，有望實(shí)現(xiàn)分子數(shù)字PCR與數(shù)字ELISA在同一芯片及儀器平臺(tái)的復(fù)用，并可支持96樣本同時(shí)進(jìn)樣，可望大幅縮短處理時(shí)間，降低芯片成本、整機(jī)費(fèi)用和單次測(cè)試樣本成本，促進(jìn)dPCR和dELISA的親民化、普及化。相關(guān)的多個(gè)核心發(fā)明專(zhuān)利已轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化到微納中心孵化的高科技醫(yī)療器械企業(yè)（深圳市中科先見(jiàn)醫(yī)療科技有限公司）。近期基于該核心技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化成果，中科先見(jiàn)攜“免疫/核酸單分子檢測(cè)全集成系統(tǒng)”項(xiàng)目參加第三屆中國(guó)醫(yī)療器械創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽決賽，受到業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的高度評(píng)價(jià)，獲得總決賽初創(chuàng)企業(yè)組亞軍。

該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省干細(xì)胞重大專(zhuān)項(xiàng)、廣東省應(yīng)用科技專(zhuān)項(xiàng)及深圳市技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目等資助。

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