【材料】ACS AMI┃研究人員利用仿生表面實現了超高速、高通量的微流控陣列有望革新數字PCR/數字ELISA晶片技術

2021-01-14 X一MOL資訊


英文原題：Ultrafast Microdroplet Generation and High-Density Microparticle Arraying Based on Biomimetic Nepenthes Peristome Surfaces

作者：Zhiting Peng, Yan Chen, and Tianzhun Wu


體外診斷是疾病早期篩查和預後評估的重要方法，隨著醫學和檢測手段的不斷發展，體外診斷的精準性、靈敏性不斷提高，但仍有眾多痕量核酸和蛋白對高靈敏檢測方法提出嚴苛要求，例如重大精神疾病診斷、腫瘤早篩、病原篩查、伴隨診斷等。近年來以數字PCR(dPCR)和數字ELISA(dELISA)為代表的單分子計數帶來了數位化分子診斷的革命，實現了前所未有的單分子絕對定量。它比傳統PCR或ELISA靈敏度高1000倍，在遺傳病、病原體、癌基因檢測等分子診斷領域發揮了不可替代的作用。然而目前PCR/ELISA的核心技術被國外壟斷，國內缺少真正的原創革新技術，並且目前國外產品成本高昂，操作複雜費事，通量有限，因此需要開發新型的分子及免疫高靈敏技術，其技術核心是高通量的陣列化微流控晶片。近日，中國科學院深圳先進技術研究院微納系統與仿生醫學研究中心吳天準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展。在課題組前期仿生豬籠草超滑表面研究（Sens. Actuators B Chem., 2016, 235, 732-738）基礎上，歷經幾年潛心研究，創新性地將仿生表面微流控用於新型dPCR和dELISA所需的高通量陣列化，相關研究成果發表於近期的ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。研究助理彭智婷為該論文的第一作者，吳天準研究員為通訊作者，陳豔研究員為共同作者。研發工作獲得了國家自然科學基金、廣東省幹細胞重大專項、廣東省應用科技專項及深圳市技術攻關項目等資助。該論文受自然界中豬籠草瓶口特殊三維楔形結構的啟發，創新性地將三維傾斜微陣列表面用於高通量液滴、細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)在滑動模式下，藉助曲率誘導的拉普拉斯壓力，實現了超快微滴生成；以及在爬升模式下，利用蒸發驅動的馬朗戈尼效應，實現了高密度微顆粒的聚集與排列。通過調節接觸角和傾斜角，觀察到了液滴由於接觸線各向異性的運動與釘扎，在NPS上表現出不同的潤溼現象，且由於不同條件下的膜厚梯度，最終導致微液滴的產生和微顆粒的陣列效果具有顯著的差異。在爬升模式下，自發形成的有厚度和溫度梯度的水膜，導致水分蒸發增強，微粒向後退的接觸線聚集。當微粒子在馬朗戈尼流（熱毛細效應）驅動下到達後退的接觸線時，由曲率誘導的拉普拉斯壓力引起的不穩定薄膜將微粒子推入微腔內。在滑移模式下，液體擴散迅速，在後退接觸線附近的不穩定的液體薄膜會分裂成均勻的微滴。在具有親水性的微腔中，液滴被牢牢地鎖住，此時微液滴蒸發速度較慢。在沒有機械泵的情況下，基於微孔陣列的不同應用也得以實現，如免疫分析的高覆蓋率微粒子陣列、幹細胞陣列以及快速的液滴生成。在實驗室經過初步優化，NPS可在65 s內排列粒徑為5微米，覆蓋率為85%的40萬個微珠；可在3 s內排列直徑約20微米，覆蓋率為100%的成千上萬的微滴。並且，作者進行了dELISA的概念演示，獲得了各種濃度下良好陣列的免疫複合物微珠陣列，驗證了C型反應性蛋白（CRP）的計算濃度與常規ELISA測定的良好一致性。這種精心設計的仿生表面表現出了優異、便捷的高通量陣列性能，並作為一種超快、通用、直接在水溶液中捕獲和陣列單細胞的方法，可廣泛應用於各種物理、生物和化學分析，特別是可視化的高通量陣列分析。

圖1. (a)不同濃度CRP製劑的微粒子陣列的代表性螢光圖像。標尺：80 um。(b)六種不同濃度梯度的CRP試劑。(c)微粒的螢光光密度(O.D.)與CRP的實際濃度成正比，具有良好的一致性。該論文展示了很強的應用價值和潛力，可在數秒到數十秒之內生成數以萬計的單分散、高密度液滴和微珠陣列。經過後續技術完善，有望實現分子數字PCR與數字ELISA在同一晶片及儀器平臺的復用，並可支持96樣本同時進樣，可望大幅縮短處理時間，降低晶片成本、整機費用和單次測試樣本成本，促進dPCR和dELISA的親民化、普及化。相關的多個核心發明專利已轉移轉化到微納中心孵化的高科技醫療器械企業（深圳市中科先見醫療科技有限公司）。近期基於該核心技術及產業化成果，中科先見攜「免疫/核酸單分子檢測全集成系統」項目參加第三屆中國醫療器械創新創業大賽決賽，受到業內專家的高度評價，獲得總決賽初創企業組亞軍。

圖2. (a)當接觸角接近極限值時，接觸線在蒸發作用下開始回縮。(b)淺層區域中流動的微粒快照(時間= 5秒)以及暗場放大圖。(c)當傾斜角為 -5°時，微粒子陣列密度由於接觸角不同而變化。(d)在傾斜角為 +5°時，微液滴陣列大小由於接觸角不同而變化。

視頻1. 液滴在超親水NPS表面消失過程

視頻2. 仿生NPS的潛在應用

圖3. 基於論文成果和專利，中科先見的「免疫/核酸單分子檢測全集成系統」項目獲得中國醫療器械創新創業大賽初創組總決賽一等獎Ultrafast Microdroplet Generation and High-Density Microparticle Arraying Based on Biomimetic Nepenthes Peristome SurfacesZhiting Peng, Yan Chen, Tianzhun Wu*ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 47299–47308, DOI: 10.1021/acsami.0c14664Publication Date: October 9, 2020Copyright © 2020 American Chemical Society

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