Cốt lõi của công nghệ microfluidic là việc thực hiện xử lý chính xác chất lỏng ở quy mô micromet. Công nghệ này cung cấp hỗ trợ kỹ thuật hiệu quả và tiêu thụ thấp cho các nghiên cứu liên quan và có giá trị ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực tổng hợp hóa học, nghiên cứu sinh học và chẩn đoán bệnh. Từ sự phát triển công nghệ, hệ thống điều khiển dòng chảy vi mô chủ yếu được chia thành hai loại: một là "Phòng thí nghiệm chip (Lab on a Chip, LoC)", thực hiện điều khiển chất lỏng và tích hợp thử nghiệm nhiều bước bằng cách khắc các kênh vi mô trên các chip nhỏ, nhưng môi trường khép kín của nó dẫn đến khả năng tiếp cận mẫu kém, chi phí sản xuất cao hơn và tải và dỡ mẫu đòi hỏi kỹ năng vận hành chuyên nghiệp; Một loại khác là thiết bị điều khiển dòng chảy vi mô mở, mặc dù giải quyết các vấn đề về khả năng tiếp cận của hệ thống khép kín, nhưng rất khó để đạt được bơm dòng chảy liên tục ổn định, vì vậyCó những hạn chế trong việc hoàn thành các quy trình thử nghiệm phức tạp, nhiều bước。

Từ lâu, lĩnh vực nghiên cứu khoa học đã phải đối mặt với một thách thức cốt lõi: làm thế nào để đạt được bơm dòng chảy liên tục ổn định và kiểm soát với hoạt động tích hợp nhiều bước với tiền đề duy trì các đặc tính hoạt động mở và dễ dàng. Vấn đề này trở thành ứng dụng phổ biến công nghệ điều khiển vi lưu trong cảnh nghiên cứu khoa học dòng chính, mà một thiết kế sáng tạo dựa trên nguồn cảm hứng sinh học, đang cung cấp ý tưởng mang tính đột phá để giải quyết vấn đề nan giải này.

Gần đây,Đội ngũ giáo sư Liu Xiaoming của Đại học Công nghệ Bắc Kinh tại PNASTạp chí xuất bản trực tuyến với tựa đề“Phòng thí nghiệm trên một đầu: Micromanipulation sử dụng mảng trụ cột acoustohydrodynamic như một hiệu ứng cuối”Luận văn.Lấy cảm hứng từ các đặc điểm của chuyển động phối hợp của cấu trúc lông mao, nghiên cứu đã thiết kế một thiết bị mảng microcolumn chất lỏng âm thanh có tên "Lab on an End (LoE, End Lab)".Nó đã đạt được sự tương thích giữa môi trường mở vi chất lỏng và điều khiển chất lỏng liên tục trong không gian và thời gian, cho thấy khả năng điều khiển linh hoạt, đa chức năng và đa năng của các hạt vi mô, mục tiêu sinh học và chất lỏng.

Đầu tiên, nhóm sử dụngCông nghệ in 3D (nanoArch) PμSL ® P140， Độ chính xác: 10μm)Thiết bị truyền động kết thúc lược được sản xuất. Được điều khiển bởi đầu dò siêu âm, trường âm thanh và hiện tượng chất lỏng âm thanh cục bộ sẽ được tạo ra gần bộ truyền động cuối. Bằng cách điều chỉnh tần số và biên độ của tín hiệu đầu vào, ba hiệu ứng có thể được thực hiện bởi chất lỏng âm thanh để trình bày dòng chảy truyền trong bề mặt, dòng chảy quay ngoài bề mặt và thu giữ dựa trên lực bức xạ âm thanh, do đó đạt được các chức năng như thu giữ, dịch chuyển, xoay và vận chuyển hai chiều của các mục tiêu vi mô, mục tiêu hoạt động bao gồm các tế bào HeLa từ micron đến cây con cá ngựa vằn ở quy mô milimet. Ngoài ra, bề mặt ở phần cuối của lược in 3D tạo ra lực mao dẫn lớn hơn, do đó có thể kéo các giọt nước di chuyển trên bề mặt kỵ nước.

Để xác minh khả năng thao túng các mục tiêu riêng lẻ của LoE, các nhà nghiên cứu đã xác minh ba hiệu ứng âm thanh được mô tả ở trên (Hình 2A-2C) thông qua dấu vết hạt và tiếp tục xác minh khả năng thu, dịch chuyển, quay và phân phối năng lượng hai chiều của nó đối với mục tiêu bằng cách sử dụng các hạt polystyrene (PS) có kích thước 100 μm (Hình 2D-2G). So với các thiết bị truyền động đầu cuối khác, LoE cũng có khả năng thao tác song song và các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng sắp xếp các hạt phân tán thành mô hình "BIT" bằng cách thao tác nhiều mục tiêu cùng một lúc (Hình 2H).

Trên cơ sở thao tác hạt riêng lẻ, các nhà nghiên cứu tiếp tục khám phá các ứng dụng của LoE trong các lĩnh vực nghiên cứu hóa học, y sinh khác nhau.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng LoE để hoàn thành quy trình "end-to-end" hỗ trợ thao tác tế bào sinh sản bên ngoài cơ thể. Đầu tiên, sử dụng chức năng chụp của LoE để bắt các tế bào trứng rải rác và sắp xếp chúng thành một hàng (Hình 3B); Thứ hai, các tế bào trứng bị bắt được được vận chuyển đến cửa sổ điều khiển thông qua dòng vận chuyển liên tục bên trong khuôn mặt của LoE và tầm nhìn của kính hiển vi được tập trung bên trong cửa sổ (Hình 3C); Cuối cùng, điều chỉnh tư thế của các tế bào trứng trong cửa sổ điều khiển bằng cách sử dụng dòng xoay liên tục bên ngoài của LoE để quan sát và định hướng lại chúng (Hình 3D). Các tế bào trứng được định hướng lại có thể tiếp tục phát triển thành phôi sau khi tiêm tinh trùng trong bào tương (Hình 3E); Trong quá trình phát triển phôi, trạng thái của nó trong các giai đoạn khác nhau có thể được quan sát liên tục thông qua LoE và chất lượng phát triển phôi có thể được đánh giá với sự trợ giúp của các kỹ thuật tái tạo ba chiều vi thị giác (Hình 3F-3G). Các hoạt động phức tạp nhiều bước nói trên có thể được thực hiện thông qua cùng một bộ truyền động đầu cuối, thể hiện khả năng xử lý nhiều bước phức tạp bằng cách sử dụng "luồng không gian và thời gian liên tục".

2) Mễ Phất Thập Nhất Trát Thích Văn (phần 2) (C. đẹp) Nghiên cứu biểu tượng hình thái học. Mảng thiết bị truyền động đầu cuối tạo ra dòng thời gian liên tục ổn định và nhất quán ở các vị trí đơn vị đầu cuối khác nhau, đảm bảo luân chuyển và phân phối ổn định các mục tiêu có tỷ lệ đường kính dài lớn như tuyến trùng. Các nhà nghiên cứu cũng đề xuất một kỹ thuật hình ảnh đồng tập trung cục bộ của tuyến trùng: thông qua LoE điều chỉnh vị trí và thái độ của tuyến trùng, từ các góc độ khác nhau tiến hành hình ảnh chính xác cao đối với các bộ phận khác nhau của tuyến trùng, từ đó tránh thông tin huỳnh quang phân loại bị nhiễu bởi sự chồng chất của các tín hiệu huỳnh quang mặt phẳng khác nhau (Hình 4).

Thứ ba, các nhà nghiên cứu đã xác nhận lợi thế của LoE trong hoạt động chất lỏng. Tương tự như các nền tảng vi chất lỏng mở khác, LoE cho phép thu giữ và vận chuyển ổn định các giọt nước trên bề mặt kỵ nước hoặc trong môi trường pha dầu (Hình 5A). Không giống như các thiết bị khác, LoE cũng có thể đẩy nhanh quá trình trộn chất lỏng nhớt vi mô và hòa tan các hạt rắn dưới tác động của chất lỏng âm thanh, giải quyết hiệu quả vấn đề khó khuếch tán ở giao diện nồng độ cao của chất lỏng số Reynolds thấp (Hình 5B-5C). Các nhà nghiên cứu cũng đã thiết kế các kịch bản thử nghiệm trong đó LoE thúc đẩy các phản ứng hóa học, đặc biệt là trong các phản ứng hóa học chứa kết tủa hoặc tạo khí mà chip LoC truyền thống khó xử lý (Hình 5D). Với các thiết lập được lập trình sẵn, LoE cũng mô phỏng khả năng "xử lý tuần tự" của vi chất lỏng để thực hiện các phản ứng hóa học phức tạp nhiều bước.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã xác minh khả năng của LoE trong các hoạt động đơn bào và đa bào. Nghiên cứu lựa chọn dòng tế bào HeLa cổ điển trong lĩnh vực khoa học sự sống, đầu tiên đã xác nhận khả năng thao tác của nó đối với các tế bào đơn lẻ như bắt giữ, vận chuyển, xoay tròn (Hình 6A). Ngoài ra, LoE có thể được sử dụng như một công cụ thao tác thông lượng cao để đạt được sự kết hợp của các tế bào HeLa (Hình 6B) và các chức năng như truyền tế bào và phân phối thuốc (Hình 6C-6D).

Kết luận: LoE đã đạt được sự kết hợp giữa "hoạt động mở và dễ dàng" và "xử lý nhiều bước liên tục" - cả hai đều có các tính năng linh hoạt và tiện lợi của thiết bị mở, chi phí thấp và bắt đầu nhanh chóng, và có thể hoàn thành các thí nghiệm phức tạp như phòng thí nghiệm chip.Thiết bị này không cần kỹ năng vận hành chuyên nghiệp, thích hợp cho các phòng thí nghiệm thông thường, hứa hẹn sẽ thúc đẩy sự phổ biến của công nghệ điều khiển vi lưu trong tổng hợp hóa học, nghiên cứu sinh học, hỗ trợ sinh sản và các lĩnh vực khác, cung cấp các công cụ hiệu quả và thiết thực cho các nghiên cứu khoa học liên quan, giúp các lĩnh vực liên quan đạt được đột phá nghiên cứu.