PuSL 3D列印微型尖銳結構,在聲場激勵下實現聲流體芯片上非接觸、無損傷細胞搬運、及三維旋轉操作

新片上細胞旋轉方法利用振盪不對稱微結構產生的聲學微流,實現精確的細胞和微米生物樣本旋轉。此方法通过振動產生高度局部化的微渦流,操控微珠和卵母細胞的旋轉。數值模擬和實驗顯示旋轉速度和方向可調,對豬卵母細胞的非侵入性旋轉進一步證明了其有效性。相比傳統方法,該技術製造簡單且易操作,適用於各種物理特性的樣本。

          精確旋轉細胞和其他微米大小的生物樣本的能力在生物醫學、生物工程和生物物理學中具有無價的價值。我們在此提出了一種新穎的片上細胞旋轉方法,該方法使用由振盪不對稱微結構產生的聲學微流。當振動施加到具有我們定制設計的微結構的微晶片時,會產生兩種不同模式的高度局部化的微渦流,用於精確實現微珠和卵母細胞的面內和麵外旋轉操縱。透過數值模擬研究和驗證了旋轉機制。進行微珠實驗以評估所聲稱的功能並研究各種參數(例如頻率和驅動電壓)對聲感應流的影響。因此,表明在單細胞研究中可以根據需要有效地調整旋轉速度和方向。最後,豬卵母細胞的旋轉作為進一步的應用。透過觀察手術卵母細胞第一極體排除後M2的成熟階段,證明此方法是非侵入性的。與傳統方法相比,我們的聲流控單元旋轉方法製造簡單且易於操作,因此無論所研究的樣本的物理特性如何,都可以進行旋轉。

         北京航空航天大學機械工程及自動化學院馮林教授課題組學生宋斌,近日在國際期刊《Biomicrofluidics》發表了一篇文章“On-chiprotational manipulation of microbeads and oocytes using acoustic microstreaming generated by oscillating asymmetrical microstructures”。研究人員在實驗過程中使用了PμSL 3D列印技術,microArch® P140 微米級3D列印,該設備具有10um精度的分辨率,94*52*45mm大小的三維加工尺寸。基於該設備加工了尖銳側邊和尖銳底面微結構,通過PDMS二次倒模並與玻璃基底鍵合形成聲流體芯片。該聲流體芯片通過正弦信號激勵壓電換能器振動,從而帶動芯片內微結構振動,並在其周圍產生局部微聲流,最終實現卵細胞的三維旋轉。該研究在細胞三維觀測、細胞分析及細胞微手術方面有重大研究意義。

細胞精確旋轉技術在生物研究中的應用和重要性

           細胞研究在現代生物科學領域引起了相當大的關注,因為細胞是所有已知生物體的基本結構、生物學和功能單位。微珠和細胞的精確旋轉操作是生物技術中的重要能力,它影響各個學科,包括細胞觀察、細胞分析、和細胞顯微外科。例如,在減數分裂過程中,紡錘體觀察對於研究其動態行為和特徵非常重要。在傳統的克隆去核過程中,應以最小的侵入性從卵母細胞中去除細胞核。移除的體積會顯著影響後續受精的活力。同時,在遺傳學研究中,胚胎細胞透明帶 (ZP) 的特徵(例如極光顯微鏡測量的延遲)對人工授精、細胞研究和體外臨床的卵母細胞品質影響很大受精程序。另外,由於卵母細胞核各向異性地位於細胞邊緣,採用化學處理去核後,必須透過高速細胞旋轉觀察,以確認卵母細胞核是否已成功去除。這些細胞操作針對特定的細胞方向,並需要非侵入性旋轉技術來正確定向目標細胞細胞器以進行操作。卵母細胞的位置或方向對於提高去核成功率和研究卵母細胞特徵至關重要。因此,細胞旋轉已成為三維(3D)細胞觀察和操作的強大工具。

細胞旋轉技術的挑戰與進展::以非接觸式方法實現微米級精確操控

          細胞旋轉涉及兩個基本運動:焦平面(X-Y 平面)中的旋轉和垂直於焦平面(X-Z 或 Y-Z 平面)的平面中的旋轉。這些運動被稱為平面內和平面外旋轉。人們採用了不同的方法來實現微珠和細胞的旋轉操作。傳統上,旋轉運動是透過顯微操作系統在顯微鏡下手動執行的。一個微量移液器固定目標細胞,而另一個微量移液器施加扭矩來調整方向。然而,這種操作需要專業技能和較長的獲取時間來培訓操作員。即便如此,由於涉及人工操作,也容易發生污染。隨著微技術的進步,許多由場能驅動的非接觸式顯微操作方法已應用於細胞操作。光鑷已成功用於旋轉微型物體,但產生的力可能不足以旋轉較大的細胞(>20μm  ),而雷射引起的熱量可能會破壞生物樣品。磁旋轉操作要求目標細胞具有磁性,這是透過將奈米顆粒插入細胞的額外步驟提供的。儘管電旋轉技術已被廣泛利用,透過在側壁和底部形成電極圖案來對目標細胞產生扭矩,但仍可觀察到電流感應加熱對生物物種的損害,並且定制設計的電極結構的製造可能會受到影響。聲流體學的最新進展使得為微尺度力產生提供一種有前途的替代技術成為可能。這是由於操作的非接觸性質以及使用聲學設備可以實現的便攜性、效率和高吞吐量。厄茲塞利克等人。採用振蕩的銳邊微結構來誘導細胞旋轉的微流。然而,這種聲流控裝置未能利用振蕩的尖銳微結構誘導平面外微渦流,且目標不容易傳輸到微通道壁。早川等人。透過微柱圖案化,利用振動引起的旋轉流實現了小鼠卵母細胞的旋轉操縱。然而,目標細胞並未從微流控晶片中回收,且旋轉速度調節的靈活性也不容易控制。艾哈邁德等人。描述了一種片上旋轉方法,透過聲學活化的微泡捕獲在微通道內的預定側壁微腔內。微泡的弱點歸因於它們的共振頻率可能會隨著時間的推移而變化。然而,迄今為止,還沒有使用振盪固體微結構對豬卵母細胞(約 120  μm)等大細胞進行非侵入性、可調旋轉操作的研究。

聲流驅動的片上細胞旋轉技術:操控微珠和卵母細胞的新方法

          因此,我們提出了一種由聲流驅動的新型片上單元旋轉方法。圖1(a)展示了聲流體裝置的概念,該裝置基於聲音激勵實現微珠和卵母細胞的高度可調諧、旋轉操縱。專門設計的微流控晶片(圖1),包括具有兩種不同類型的不對稱微結構(稱為“鋒利側面”和“鋒利底部”)的聚二甲基矽氧烷(PDMS)微通道和壓電換能器。使用手動打孔機在 PDMS 晶片上打出入口孔和出口孔,用於加載和卸載目標微型物體。考慮到我們的實驗樣品的直徑、製造精度和先前進行的研究,微通道的長度、寬度和深度分別選擇為 10mm、1mm 和 250 μm,而所有鋒利的側面和鋒利的底部被設計為具有等於30° 的尖端角(θ) 。圖1中也說明,當由壓電換能器激發的聲波傳播到微通道中時,由於微通道內的黏滯耗散,使用相同的聲音驅動方法會引起不同類型的局部穩定流微渦流,進一步應用微珠和卵母細胞的運輸和旋轉。所有這些操作都是非接觸式的,並且僅透過單一外部壓電換能器來實現,不需要對聲場進行任何複雜的空間調製。此外,尖銳側面和尖銳底部的製造主要由兩個連續的PDMS成型步驟組成(圖2)。考慮到傳統微機電(MEMS)加工方法的難度,選擇高品質的3D雷射列印技術來製造微晶片模具。製造細節可以在實驗部分找到。總體而言,隨著對用於操縱微珠和細胞的片上細胞工具的需求增加,我們的方法預計將非常適合生物學研究。

PμSL 3D應用:在微流控晶片中使用聲波操縱微珠和卵母細胞的概念概述
圖1、在微流控晶片中使用聲波操縱微珠和卵母細胞的概念概述
(a) 片上操縱系統的概念概述。 (b) 微流控晶片,具有簡單的聚二甲基矽氧烷 (PDMS) 微通道,具有鋒利的側面和底部以及壓電感測器。 (c) 聲波透過壓電換能器激發。聲流在吸收高振幅聲振動的驅動下形成流體中的穩定流動,並用於實現微珠和卵母細胞的運輸和旋轉。 (d) 尖銳側面和 (e) 尖銳底部的振盪引起面內和麵外微流以進行旋轉操作。 (f) 微通道的典型幾何尺寸。
PμSL 3D應用:在微流控晶片中使用聲波操縱微珠和卵母細胞的概念概述,聲流體芯片製備工藝示意圖
圖2、聲流體芯片製備工藝示意圖
        (a)圖中聲流道長度15mm, 深度250μm,最小寬度200 μm。槽道內分佈著對稱的尖銳結構和斜坡陡坎結構:尖銳結構頂角20°,高度250 μm;斜坡陡坎斜角28°,高度80 μm。

微流控晶片的製作

          首先,晶片模具是透過PμSL 3D列印技術,microArch® P140 微米級3D列印,使用光敏樹脂製造的。微結構的製造是透過兩步驟連續的 PDMS 成型技術來實現的。將 Sylgard 184 有機矽彈性體基質與 Sylgard 184 有機矽彈性體固化劑(美國密西根州米德蘭道康寧公司)以 10:1(重量:重量)的比例混合,並用於模具鑄造。第一次固化過程中,所需溫度為60℃,持續3h,以防止3D列印模具變形。第一次成型後(補充資料中的圖S5 ),陰模結構的表面用1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯矽烷(Sigma Aldrich,美國)處理,以便更容易進行第二次成型。使用可重複使用的活檢打孔器(WH-CF-13,Wenhao,蘇州,中國)將入口和出口打入PDMS。隨後,最終成型微結構和40 × 50 × 0.15 mm 3(寬×長×厚)載玻片用氧等離子體(YZD08-2C,SAOT,北京,中國)處理20秒,並在90°C下粘合10分鐘最後,用環氧樹脂(84101,Permatex,哈特福德,康乃狄克州,美國)將壓電換能器連接到靠近 PDMS 通道的玻片上。

結論

在這項研究中,提出了一種基於聲學的新型片上方法,用於微珠和卵母細胞的運輸和旋轉操作。與現有的工作相比,我們的聲流控單元旋轉方法具有以下優點和功能:(i)它已被證明能夠基於振動銳邊實現面內和麵外旋轉操縱和尖底微結構,特別是對於平面外旋轉操作,(ii)它證明了微珠和卵母細胞在不同振動模式下非侵入性、無污染、穩定運輸和旋轉的可行性,(iii)它證明了微珠和卵母細胞在不同振動模式下的靈活性根據所需速度的選擇,確定各種應用的旋轉速度,並且(iv)它已被證明是一種易於製造和易於操作的聲流體裝置。

最後,我們未來的工作將集中在提高細胞旋轉的精確度和運動穩定性。同時,將開發一種新型聲流控裝置,僅使用一種振盪微結構即可實現 3D 旋轉。此外,初始旋轉位置的控制將成為可能。此外,我們將量化微結構尖端到卵母細胞中心的距離對旋轉速度的影響,這裡尚未分析。

microArch® P140

• 光學精度:10μm
• 列印尺寸:19×10mm
• 超高精度「快速成型」增材製造設備

設備優勢
• 加工公差:± 25 μm
• 超高精度:光學精度高達10 μm
• 微尺度微米級列印能力
• 低層厚:10-40 μm的列印層厚
• 優良的光源穩定性
• 光學監控系統,自動對焦功能。
• 配套功能強大的列印軟體、切片軟體。

參考文獻:On-chip rotational manipulation of microbeads and oocytes using acoustic microstreaming generated by oscillating asymmetrical microstructures
原文連結: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6824912/

智觀智造-智觀科創,專注於超高精密微奈米3D列印領域,為BMF台灣區技術暨業務中心,提供: 1.全球領先的超高精密3D列印技術及精密加工能力解決方案提供商。 2.實現2~25um的列印精度,5~50um的列印層厚,士10~士50um的樣件公差控制能力。 3.應用產業:醫療器械、柔性電子、通信系統、機器人、超材料等領域更為顯著。

業務聯繫

董亦淞 Ted
數位成型部門 技術經理

手機:0921-229-515
電話:(07) 331-3520 #607
信箱:Ted@makerwisdom.com

應用工具
__________________

返回頂端