科研报道 | 清华大学生物医学工程学院刘鹏团队开发了基于针-胶塞/活塞的模块化介观微流体设计范式用于全集成分析系统的高效开发

　　

2024年9月13日，清华大学生物医学工程学院刘鹏研究员课题组在国际期刊《Advanced Science》发表研究论文《Needle-Plug/Piston-Based Modular Mesoscopic Design Paradigm Coupled with Microfluidic Device for Point-of-Care Pooled Testing》。微流控技术在临床应用中面临着诸多挑战，主要包括流体的宏微观交互控制界面、试剂储存、复杂灵活的流体操作以及模块化设计等问题。为应对这些挑战，本研究提出了一种模块化的介观微流控芯片设计范式，具备灵活的变换能力，可用于复杂的流体操控。该设计能够轻松与现有微流控平台集成，将微流控技术应用于临床检测场景中，显著提升即时检测在功能集成、宏微观流体操作以及灵活检测通量方面的表现。

研究团队提出了一种基于空心针和胶塞相配合的微流控芯片接口，实现了宏观液体与微流控芯片的高效连通和密封，同时建立了针刺穿胶塞的作用力模型，并对胶塞的厚度和硬度、空心针的直径和斜角进行了系统测试。此外，这一“针-胶塞”微流控芯片架构还能实现试剂的长期有效存储，满足了实际应用中对试剂保存的需求。基于这一基本结构单元，团队进一步设计并定义了IN、OUT、IN-OUT、ON-OFF四个基本功能单元，可用于完成不同的流体操作。这一模块化设计为复杂的微流控操作提供了灵活的解决方案（图1）。基于以上微流控单元，研究人员设计了一系列经过验证的宏-微观流体操作模块。这些模块通过微管道连接基本单元器件，能够组合实现多种复杂的流体操作。例如：1）串联多个IN单元，可实现多种流体的依次释放；2）结合多个IN和OUT单元，实现单一流体的多次分配；3）通过在IN和OUT之间加入ON-OFF单元，灵活控制流路开闭；4）通过串联多个IN和IN-OUT单元，实现不同试剂的混合。此外，研究人员还进一步展示了通过在单个试剂管上集成多个活塞，并通过雕刻凹槽，进行复杂微量流体操作的能力。

图1：基于“针-胶塞/活塞”相适配的介观微流控系统设计范式

值得关注的是，该介观微流控设计范式提供了一种灵活且标准化的宏-微观流体操作系统设计方法，分为三个步骤：1) 根据应用场景的需求确定接口和流体功能单元；2) 通过固定空心针作为宏观与微观流体的接口；3) 将宏观流体操控装置连接到平面微流控平台，完成整个宏微观系统的设计。作为示例，研究展示了两个应用场景：1、该介观设计可集成二维平面微流控平台生成数字液滴，满足微型化系统设计需求；2、该设计在成本敏感的居家自测场景中展现了应用潜力，通过简单手动按压即可完成复杂的核酸提取。

在利用微流控技术开发用于即时检验的全集成微型设备过程中，面临多项关键挑战，包括检测流程复杂、宏观样本与微观结构之间的体积差异，以及不同临床场景下的通量需求差异。此前，研究团队提出了“3D可扩展”设计架构，其中X、Y、Z三个维度分别用于功能集成、宏观-微观界面连接和通量调节。在此基础上，本研究将模块化介观设计与“3D可扩展”架构相结合，成功开发了一款超灵敏微型检测设备（iDEP）。在该微流控卡盒中，利用双重核酸富集法，不仅有效去除杂质，还确保几乎100%的核酸回收率，具体来说，在微流控卡盒内先采用硅膜进行初次核酸提取，之后通过改性的石英纤维（QF）滤纸进行二次富集，检测灵敏度高达10 copies/mL（图2）。在对76名受试者的咽拭子样本评估中，iDEP系统成功检测出38例阳性样本中的SARS-CoV-2病毒N基因和ORF1ab基因，且在某些情况下的检测灵敏度超过了传统磁珠法RT-qPCR。同时，系统对38例阴性样本均未出现假阳性，展示了其卓越的特异性。此外，在50个拭子样本的混合检测中，iDEP系统的检测限保持在50 copies/mL，远优于传统方法的500 copies/mL，避免了漏检的风险。这些结果不仅验证了iDEP系统的临床应用能力，还凸显了其在突发性传染病早期筛查和防控中的巨大潜力，为大规模检测提供了高效、可靠的技术支持。

图2：采用“3D 可扩展”架构的双提取核酸检测设备(iDEP)

综上所述，研究团队开发的模块化介观微流控设计平台，成功解决了微流控技术在处理大体积样本时的性能瓶颈。该平台通过“针-胶塞”的连接方式，实现从微升到毫升样本的高效操作，并支持无仪器或简易仪器的操作，特别适用于居家自测等低成本应用。同时利用“3D可扩展”架构，并结合双重核酸提取技术实现了10 copies/mL的超高灵敏度，并支持大规模混合检测，保持高灵敏度同时节省成本和时间。该平台显著加速了基于微流控芯片的微全分析系统开发并降低使用成本，推动微流控技术在实际场景下的应用。

清华大学生物医学工程学院已毕业博士生林宝宝、在读博士生李保为本文共同第一作者，清华大学生物医学工程学院刘鹏研究员和中国航天员科研训练中心航天医学全国重点实验室助理研究员顾寅为该论文通讯作者。