上圖：新技術概要。左圖：用於DNA預富集的微芯片和滑動壁設計。右圖：用於分隔實驗的微芯片和滑動壁圖片，添加了藍色和黃色染料以實現可視化。
據麥姆斯諮詢報道，法國研究團隊最近開發了“滑動壁”（sliding walls），作為微流控裝置中流體控制的新技術，允許半剛性或剛性壁在微流控芯片內滑動。在《自然：微系統與納米工程》（Nature: Microsystems & Nanoengineering）雜誌上發表的一篇新報道中，巴黎文理研究大學（PSL Research University）Bastien Venzac和來自法國巴黎居里研究所（Institute Curie）、索邦大學（Sorbonne University）的科學家小組利用滑動壁幾何結構設計了多種流體功能。該裝置包含開/關轉換閥，用於根據壁的幾何結構來阻塞或重新配置通道。該裝置包含一種水凝膠膜，用於將生物分子濃縮、純化並從一個通道運輸到另一個通道。該技術與軟光刻方法兼容，聚二甲基硅氧烷（PDMS）芯片的典型製造流程即可輕鬆實現。新方法為各種微流控應用開闢了道路，形成了簡單的手動裝置，可用於生物實驗室即時檢測（point-of-care）應用。
真正可以重新配置的系統一直是微流控工程師的夢想，理想的重構指的是構建在模塊化單元中的智能系統，並在實驗之間進行快速重組。然而，對大多數微流控系統而言，通道網絡在微加工時就已固定，無法在實驗時自定義重組。工程師也只能在泵送、閥門控制或利用電場和磁場外力進行更改。為了解決微流控生產過程中的現存侷限和挑戰，Venzac等人提出了一種微流控驅動的新概念，稱之為“滑動壁”。該方法與軟光刻工藝兼容，但是不需要外部設備。它可以手動操作，並且可以集成在單個元器件中。
Venzac等人使用了多種製造方法開發滑動壁，以將其設計在PDMS芯片的開放通道內。驅動過程允許研究人員可逆地打開或關閉泵送流體的通道，然後重新定向流動以隨意配置通道網絡。該團隊描述了該方法的原理，並演示了簡單的功能，包括提供四維（4D）空間的水凝膠板形成，控制細胞培養，然後在微流控腔室內進行基於膜的電動DNA預富集。他們以低成本實現了該技術的快速成型，為簡化操作，團隊成員既可以通過手動方式控制滑動壁，也可以使用計算機控制的馬達或執行器實現全自動滑動壁。新的工具箱非常適合微流控通道內尺寸超過100 µm的應用，並且只需要幾個驅動元件。
滑動壁原理。PDMS結構中包含一個導向通道和一個流體通道，並與平面PDMS表面鍵合在一起。在該示例中，帶有雕刻通道的滑動壁會在芯片製作完成後被插入到導向通道。流體通道或被堵住（圖a）或被打開（圖b）。插圖提供了滑動壁/流體通道交叉點的詳細信息。
根據常規設計原則，研究人員將剛性/半剛性結構插入PDMS微流控芯片的導向通道中，並使用多種材料開發滑動壁，包括（1）不鏽鋼膜；（2）在PDMS模具中進行光聚合的光固化抗蝕劑；（3）立體光固化成型工藝3D打印（SLA 3D printing）的可光固化樹脂。研究人員會根據材料自身的特性來選擇適合實驗的工程技術，並通過控制材料剛度防止驅動過程中滑動壁的彎曲或斷裂，對大多數薄的滑動壁而言，不鏽鋼為其首選。針對較大的滑動壁，他們使用傳統的SLA工藝，並在不鏽鋼上使用微銑削，以在滑動壁上加入小功能。
在最初的概念驗證階段，Venzac等人準備了兩種類型的微閥，開/關閥和帶一個入口、兩個出口的金屬開關閥。滑動閥因其在器官芯片裝置和細胞培養結構中的實用性而引起了人們極大的興趣。研究人員還展示了使用滑動壁作為芯片上的注射器來手動泵送流體，在實驗中沒有觀察到在推動或吸入空氣時液體會發生洩漏。滑動壁對較大腔室結構而言非常有用，研究團隊在腔室頂部和底部增加了兩個窄槽以引導垂直的不鏽鋼滑動壁，並調節各腔室之間的連通。
上圖：閥門控制實驗：a）用芯片和基於光固化抗劑蝕的滑動壁設計進行的開關閥實驗；b）開關閥實驗用芯片和金屬滑動壁的設計；c）導向通道、滑動壁高度和寬度不同比率下（每個條件展開三次實驗），基於抗劑蝕（黃色系列）和基於金屬滑動壁（灰色系列）所能承受的最大壓力；d）載有熒光素的水流經過開路（13 µl/s）時開關閥的熒光圖像。
下圖：泵送實驗：a）芯片設計；b）通過1 µl腔室泵送載有熒光素的水的連續照片。活塞的位置用紅色虛線表示；c）液體移位與絕對活塞移位（活塞原點設置在第一個腔室開始填充時），用於推（藍色）拉（紅色）時，在四個不同裝置上的平均值。
該團隊最終使用新裝置進行了生物功能化測試，並觀察了4D細胞培養和細胞遷移。在實驗中，他們將熒光膠原蛋白溶液裝在腔室的右半部分，把緩衝液裝入左半部分，然後把兩者混合成水凝膠板。這種水凝膠是開發3D器官芯片腔室的主要材料。為了測試其生物學功能，Venzac等人研究了將樹突狀細胞（免疫細胞）裝載到腔室內的膠原蛋白溶液中後的細胞遷移情況。該團隊用趨化因子溶液填充了第二個腔室，並移除了不鏽鋼滑動壁，創建出一個筆直的界面，使趨化劑擴散到膠原蛋白板上，樹突狀細胞遷移到凝膠/溶液界面上以形成4D細胞培養。
分隔實驗：a）芯片和金屬滑動壁的設計；b）密封測試俯視圖。左圖：腔室的明場圖像。右圖：8小時後腔室的熒光圖像；c）在腔室內部的滑動壁上放置一個200 µm的孔後，Tris-EDTA緩衝室中的熒光素梯度。滑動壁和孔的極限用虛線表示。顏色線對應強度大於最大值12%的圖像表面（壁後位移：白色：1秒、紅色：4秒、黃色：9秒、綠色：14秒、青色：50秒、藍色：110秒、紫紅色：170秒）；d）移除滑動壁後，右半腔室底部的熒光凝膠狀膠原蛋白板的深度編碼共聚焦圖像的俯視圖；e）移除滑動壁之前（0-30分鐘）和移除滑動壁之後（30-240分鐘），膠原蛋白板中的樹突狀細胞的軌跡分兩個階段分解。第一階段細胞沒有被優先遷移（30-120分鐘），在120-240分鐘被吸引到趨化因子室。水平軸以微米為單位，垂直軸指向遠離趨化因子室的方向。
團隊成員還通過電動預富集DNA大分子，在新裝置中控制它們的運輸和釋放。為此，該團隊在微流控系統中使用了一種可移動且可重構的水凝膠膜，並利用高分辨率3D打印技術設計了帶有集成窗口的滑動壁。他們在通道中施加恆定的電場，以允許緩衝液中電泳遷移帶有熒光標籤的DNA。水凝膠孔的尺寸能阻止DNA的遷移，導致它們在膜上預富集。科學家們在裝置中引導預富集DNA的自由流動，從而將樣品從一個通道轉移到另一個通道，這是一種簡單的全新樣品製備和分析方法。
DNA預富集和純化實驗。a）芯片和滑動壁的設計；將PEGDA膜（粉紅色）光聚合在滑動壁的窗口中。彩色箭頭用相應的彩色邊框指示下列圖片的位置；b）將100 pg 的Lambda-DNA電泳到3D打印滑動壁的PEGDA膜上進行預富集；c）圖b）的黃色長方形內平均灰度值隨時間的變化；d）DNA在PEGDA膜上預富集過程的熒光圖像；e）移至第二通道後和圖f）電泳釋放後。（比例尺：250 µm）黃色箭頭表示DNA的遷移或位移方向。
Bastien Venzac及其同事用這種方式開發了一款新的工具箱，以革新傳統微流控裝置的使用。滑動壁還具備其它功能，如微通道或載有凝膠的窗口，以及超越傳統芯片微閥的潛在應用解決方案。值得注意的是，他們利用單個滑動壁裝置即可實現4D細胞培養和DNA預富集。科學家們的願景是該技術能夠廣泛應用於低成本、低技術含量的生物醫學環境。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-019-0125-7
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