探索無標記細胞分離新技術：主動與被動分選策略的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義細胞分選作為生命科學研究領域的關鍵技術，在細胞生物學、腫瘤學、免疫學以及神經科學等眾多學科的研究中都有著舉足輕重的地位。在細胞生物學中，通過細胞分選能夠獲取特定類型的細胞，從而深入探究細胞的生長、分化、代謝等基本生命過程；腫瘤學研究里，精準分選腫瘤細胞和正常細胞，有助于揭示腫瘤的發生發展機制，為癌癥的早期診斷和個性化治療提供關鍵依據；免疫學研究依賴細胞分選技術分離不同類型的免疫細胞，以此剖析免疫反應的本質，推動免疫治療的發展；神經科學領域則借助細胞分選獲取特定的神經元細胞，對神經系統的發育和功能展開研究。傳統的細胞分選技術大多依賴熒光標記或磁性標記，然而，這些標記物可能會對細胞的生理功能和活性產生干擾，導致實驗結果出現偏差。比如，熒光標記可能改變細胞的光學性質，影響對細胞內分子的檢測；磁性標記可能影響細胞的力學性質，干擾細胞的正常運動和相互作用。無標記細胞分離技術應運而生，它巧妙地避開了標記過程對細胞的潛在影響，能夠獲取更接近生理狀態的細胞，為生命科學研究提供了更為可靠的樣本。在無標記細胞分離技術中，主動分選技術和被動分選技術展現出了獨特的研究價值。主動分選技術能夠依據細胞的多種特性，如電學、光學、聲學等性質，對細胞進行精確操控和分選，具有分選精度高、特異性強的顯著優勢。而被動分選技術則憑借細胞自身的物理性質，如大小、形狀、密度等，在微流控芯片等裝置中實現細胞的自然分離，具有操作簡便、成本較低、對細胞損傷小的特點。對這兩種技術展開深入研究，不僅能夠豐富無標記細胞分離技術的理論體系，還能為其在生物醫學、藥物研發等領域的廣泛應用奠定堅實基礎。1.2研究目的與創新點本研究旨在深入剖析基于主動和被動分選的無標記細胞分離技術，系統地探究這兩種技術的工作原理、技術特點以及在不同領域的應用情況。通過對技術原理的深度挖掘，揭示主動分選技術如何利用細胞的電學、光學、聲學等特性實現精確操控，以及被動分選技術怎樣依據細胞的大小、形狀、密度等物理性質完成自然分離，從而為技術的優化和改進提供堅實的理論基礎。在技術特點方面，全面分析主動分選技術的高精度、高特異性以及被動分選技術的操作簡便、成本低、細胞損傷小等優勢，同時也關注它們各自存在的局限性，為實際應用中的技術選擇提供科學依據。在應用領域方面，詳細研究這兩種技術在生物醫學、藥物研發等領域的具體應用案例，總結成功經驗和存在的問題，為進一步拓展其應用范圍提供參考。本研究的創新點主要體現在以下幾個方面：在技術分析維度上，打破以往單一的研究視角，從多維度對主動和被動分選技術進行綜合分析。不僅深入研究技術本身的原理和特點，還從細胞生物學、物理學、工程學等多個學科角度探討技術的實現機制和潛在影響，為無標記細胞分離技術的研究提供了全新的思路和方法。在應用案例研究方面，廣泛收集和分析來自生物醫學、藥物研發、生物工程等多領域的實際應用案例，全面總結技術在不同場景下的應用效果和面臨的挑戰，為技術的跨領域應用提供了豐富的實踐經驗和理論支持。在技術整合與優化方面，嘗試將主動分選技術和被動分選技術進行有機結合，探索一種全新的無標記細胞分離方法，以充分發揮兩種技術的優勢，彌補各自的不足，為無標記細胞分離技術的發展開辟新的方向。1.3國內外研究現狀在國外，無標記細胞分離技術的研究起步較早，取得了一系列具有影響力的成果。美國的研究團隊在主動分選技術方面，利用介電泳技術對細胞進行操控，通過精確控制電場參數，實現了對不同電學性質細胞的高效分選。例如，他們開發的基于介電泳的微流控芯片，能夠在微納尺度下對細胞施加精確的電場力，根據細胞的介電常數差異將其分離出來，該技術在腫瘤細胞的分選和檢測中展現出了極高的靈敏度和特異性，為腫瘤的早期診斷提供了有力的技術支持。在光學分選方面，國外科研人員通過激光誘導的光鑷技術，對細胞進行非接觸式的操控和分選。利用光鑷產生的微小光學力，可以精確地捕獲和移動單個細胞，實現對特定細胞的分離。這種技術在對細胞活性要求較高的研究中具有獨特的優勢，如干細胞的分選和培養，能夠最大程度地減少對細胞的損傷，保持細胞的原始特性。在被動分選技術領域，國外研究人員在微流控芯片的設計和應用上取得了顯著進展。通過巧妙設計微流控芯片的通道結構和流體動力學參數，利用慣性微流控技術實現了對不同大小和形狀細胞的高效分離。例如，設計的螺旋形微流控芯片，能夠利用細胞在螺旋通道中受到的慣性力和Dean力的差異，將不同尺寸的細胞自然地分離開來，該技術具有高通量、低成本的特點，在血液細胞分析、微生物檢測等領域得到了廣泛應用。在國內，無標記細胞分離技術的研究近年來也發展迅速。科研人員在主動分選技術方面，結合聲學和電學技術，提出了一種新型的細胞分選方法。通過在微流控芯片中引入超聲駐波場和電場，利用細胞在兩種場中的不同響應，實現了對細胞的多參數分選。這種方法不僅提高了分選的精度和效率，還能夠對細胞的多種物理性質進行綜合分析，為細胞生物學研究提供了新的手段。在被動分選技術方面，國內研究團隊通過對微流控芯片的結構優化和材料創新，提高了細胞分選的性能。例如，采用新型的納米材料制備微流控芯片，利用納米材料的特殊表面性質和物理特性，增強了芯片對細胞的捕獲和分離能力。同時，通過優化芯片的微結構設計，如采用魚骨狀微結構，進一步提高了細胞分選的效率和準確性，該技術在循環腫瘤細胞的捕獲和分析中取得了良好的效果，為腫瘤的臨床診斷和治療提供了重要的技術支持。國內外在無標記細胞分離技術的研究上都取得了豐碩的成果，但仍存在一些亟待解決的問題。主動分選技術在提高分選精度和特異性的同時，如何降低設備成本和操作復雜性，以實現更廣泛的應用；被動分選技術在提高分選效率和通量的同時，如何進一步提高分選的準確性和對復雜樣本的適應性，都是未來研究需要重點關注的方向。二、無標記細胞分離技術概述2.1細胞分選技術的重要性細胞分選技術在生命科學研究領域占據著舉足輕重的地位，是推動眾多學科發展的關鍵力量。在疾病診斷方面，精準的細胞分選能夠為疾病的早期診斷和病情監測提供重要依據。以癌癥診斷為例，循環腫瘤細胞（CTCs）的檢測對于癌癥的早期發現和轉移監測具有重要意義。由于CTCs在血液中的含量極低，每毫升血液中可能僅有幾個到幾十個，因此需要高效的細胞分選技術將其從大量的血細胞中分離出來。通過對CTCs的分析，可以了解腫瘤的生物學特性、轉移潛能以及對治療的反應，為癌癥的早期診斷和個性化治療提供關鍵信息。在神經退行性疾病的診斷中，細胞分選技術可以用于分離和分析病變的神經元細胞，幫助研究人員了解疾病的發病機制，開發早期診斷的生物標志物。在阿爾茨海默病的研究中，通過分選大腦組織中的神經元細胞和膠質細胞，研究人員發現了與疾病相關的異常蛋白表達和細胞信號通路的改變，為疾病的早期診斷和治療提供了新的靶點。在藥物研發領域，細胞分選技術是篩選和評估藥物療效的重要手段。通過分選特定類型的細胞，研究人員可以研究藥物對目標細胞的作用機制和療效，從而篩選出具有潛力的候選藥物。在抗癌藥物的研發中，利用細胞分選技術分離腫瘤細胞和正常細胞，研究藥物對腫瘤細胞的抑制作用和對正常細胞的毒性，能夠加速藥物的研發進程，提高研發效率。細胞分選技術還可以用于藥物毒性測試和藥物耐藥性研究。通過分選不同類型的細胞，研究人員可以評估藥物對不同細胞類型的毒性，預測藥物在體內的不良反應。在藥物耐藥性研究中，分選耐藥細胞和敏感細胞，研究其基因表達和蛋白質組學的差異，有助于揭示藥物耐藥的機制，開發克服耐藥性的新策略。在細胞治療領域，細胞分選技術是獲取高質量治療細胞的關鍵。在干細胞治療中，需要分選和純化特定類型的干細胞，以確保治療的安全性和有效性。通過細胞分選技術，可以從骨髓、脂肪等組織中分離出間充質干細胞，用于治療多種疾病，如骨關節炎、心血管疾病等。在免疫細胞治療中，分選和激活特定的免疫細胞，如T細胞、NK細胞等，可以增強機體的免疫功能，用于治療癌癥和自身免疫性疾病。2.2無標記細胞分離技術的優勢無標記細胞分離技術與傳統的有標記細胞分離技術相比，具有諸多顯著優勢，在生命科學研究和臨床應用中展現出獨特的價值。無標記細胞分離技術能夠有效避免標記物對細胞生理功能和活性的干擾，最大程度地維持細胞的原始狀態。在傳統的有標記細胞分選技術中，熒光標記或磁性標記等操作可能會對細胞的代謝、基因表達和信號傳導等過程產生影響。熒光標記物可能會改變細胞的光學性質，干擾細胞內分子的檢測；磁性標記則可能影響細胞的力學性質，干擾細胞的正常運動和相互作用。而無標記細胞分離技術則巧妙地避開了這些問題，通過利用細胞自身的物理性質或與周圍環境的相互作用來實現細胞的分選，從而獲取更接近生理狀態的細胞樣本，為后續的研究提供了更可靠的基礎。在干細胞研究中，無標記細胞分離技術能夠避免標記物對干細胞干性和分化潛能的影響，確保分離得到的干細胞具有完整的生物學特性，為干細胞治療和再生醫學研究提供了更優質的細胞資源。無標記細胞分離技術的操作相對簡便，成本較低。傳統的有標記細胞分離技術通常需要使用昂貴的熒光標記試劑、磁性微珠等，并且操作過程較為復雜，需要專業的技術人員和設備。而無標記細胞分離技術則不需要進行繁瑣的標記步驟，只需利用細胞的固有特性，如大小、形狀、密度、電學性質、光學性質、聲學性質等，通過簡單的物理或化學方法即可實現細胞的分選。這種技術操作簡單，易于掌握，同時也降低了實驗成本，提高了實驗效率。在一些資源有限的實驗室或臨床環境中，無標記細胞分離技術的優勢尤為明顯，能夠為更多的研究和應用提供支持。無標記細胞分離技術對細胞的損傷較小，能夠提高細胞的存活率和功能完整性。在傳統的有標記細胞分離過程中，標記物的引入以及后續的分離操作可能會對細胞造成物理或化學損傷，導致細胞存活率降低和功能受損。而無標記細胞分離技術采用的是非侵入性的分選方法，如基于微流控芯片的慣性微流控技術、介電泳技術等，能夠在溫和的條件下實現細胞的分選，減少對細胞的損傷。在細胞治療領域，高存活率和功能完整的細胞對于治療效果至關重要，無標記細胞分離技術能夠滿足這一需求，為細胞治療的成功實施提供保障。無標記細胞分離技術還具有通用性強的特點，能夠應用于多種類型細胞的分選。由于不同類型的細胞在物理性質和生物學特性上存在差異，無標記細胞分離技術可以根據這些差異，通過調整分選參數和方法，實現對不同細胞的有效分選。無論是腫瘤細胞、免疫細胞、干細胞還是其他類型的細胞，都可以利用無標記細胞分離技術進行分離和分析，為生命科學研究的多個領域提供了有力的技術支持。2.3主動分選與被動分選的概念界定在無標記細胞分離技術的研究領域中，主動分選技術和被動分選技術是兩種重要的技術手段，它們在實現細胞分離的過程中展現出了不同的工作方式和特點。主動分選技術是指在細胞分選過程中，借助外部施加的物理場，如電場、磁場、聲場、光場等，對細胞施加特定的作用力，從而實現對目標細胞的精準操控和分離。這種技術能夠根據細胞的電學、光學、聲學等特性，對細胞進行有針對性的分選，具有較高的分選精度和特異性。在介電泳細胞分選技術中，通過在微流控芯片的微電極陣列上施加交變電場，細胞會受到與自身介電性質相關的介電泳力作用。不同類型的細胞由于其介電常數、電導率等電學性質的差異，在電場中所受到的介電泳力大小和方向也各不相同，從而實現了對不同細胞的分離。這種技術能夠精確地控制細胞的運動軌跡，將目標細胞從復雜的細胞群體中分離出來，在腫瘤細胞檢測、干細胞分選等領域具有重要的應用價值。被動分選技術則是基于細胞自身所固有的物理性質，如大小、形狀、密度、可變形性等，在特定的微流控芯片或其他分選裝置中，利用流體動力學、慣性力、擴散力等物理原理，實現細胞在流道內的自然位置分異，從而達到細胞分選的目的。這種技術不需要外部施加額外的物理場，僅依靠芯片自身的物理結構或者流道中細胞之間的相互作用產生的流體動力來實現分選，具有操作簡便、成本較低、對細胞損傷小等優點。在慣性微流控細胞分選技術中，利用細胞在微流道中高速流動時受到的慣性力和Dean力的作用。不同大小和形狀的細胞在微流道中的受力情況不同，導致它們在流道中的運動軌跡發生差異，從而實現細胞的分離。這種技術能夠在高通量的情況下實現細胞的快速分選，在血液細胞分析、微生物檢測等領域得到了廣泛的應用。三、主動分選的無標記細胞分離技術3.1技術原理與分類主動分選的無標記細胞分離技術作為細胞分選領域的前沿技術，憑借其高精度、高特異性的特點，在生命科學研究和臨床應用中發揮著重要作用。這類技術主要通過借助外部施加的物理場，如電場、磁場、聲場、光場等，對細胞施加特定的作用力，從而實現對目標細胞的精準操控和分離。根據所利用的物理場和作用機制的不同，主動分選的無標記細胞分離技術可細分為多種類型，每種類型都有其獨特的技術原理和優勢，適用于不同的細胞分選需求。3.1.1基于微流控沖擊打印的技術原理基于微流控沖擊打印的無標記細胞分離技術，是一種融合了微流控技術、實時圖像處理技術以及沖擊打印技術的創新型單細胞分選方法。該技術的核心在于通過對細胞懸浮液在微流控通道中的精確操控，結合實時圖像處理實現對單細胞的高效識別和分選，最終利用沖擊打印將單細胞封裝在單個液滴中，形成單細胞液滴陣列。在具體的工作流程中，首先，細胞懸浮液在壓力泵的穩定推動下，從微流控通道的入口緩緩流入，平穩地向出口流動。在這個過程中，高速相機以極高的幀率實時捕捉采集檢測區域的圖像，將細胞的形態和位置信息轉化為數字圖像信號。這些圖像信號被迅速傳輸至計算機，計算機利用專門開發的圖像處理算法對圖像進行實時處理。該算法能夠對圖像進行背景提取，去除無關的背景噪聲，使細胞的輪廓更加清晰；通過高斯去噪進一步優化圖像質量，提高細胞識別的準確性；采用閾值分割等方法，精準地識別出單個細胞，并計算出其在二維平面上的精確位置。當計算機識別到目標單細胞后，會立即向信號控制模塊發送觸發信號。信號控制模塊接收到信號后，迅速觸發壓電致動器。壓電致動器在電信號的驅動下，產生強烈的撞擊力，撞擊打印室上的柔性薄膜。這種撞擊力使得薄膜發生瞬間的形變，進而從噴嘴處產生一個包含單個細胞的液滴。同時，位移臺按照預設的程序運動，精確地控制液滴的落點，將單細胞液滴有序地排列在基底上，形成單細胞液滴陣列。此技術的關鍵在于實時圖像處理和微流控沖擊打印的協同工作。實時圖像處理技術能夠快速、準確地識別單細胞，為后續的沖擊打印提供精確的目標定位。而微流控沖擊打印技術則能夠在極短的時間內將單細胞封裝在液滴中，實現高效的單細胞分離。這種技術的優勢在于，它采用圖像處理方法代替了傳統的熒光標記來識別細胞，極大地簡化了樣品制備過程，避免了熒光標記對細胞功能和活力的潛在損害。利用相機實時拍攝和圖像處理實時計算細胞的二維位置，使得檢測精度大幅提高，能夠確保單細胞封裝的高效率。實驗數據表明，該技術具有高達95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細胞捕獲效率，并且可以在2Hz的通量下穩定地產生單細胞液滴陣列，細胞存活率更是高達96.6%。這些優異的性能指標使得基于微流控沖擊打印的無標記細胞分離技術在單細胞組學、組織工程和細胞系開發等領域展現出巨大的應用潛力。3.1.2基于激光精準分選的技術原理基于激光精準分選的無標記細胞分離技術，是一種利用激光與特殊介質相互作用實現單細胞精準分離的先進技術。該技術的核心原理是通過巧妙地利用激光的能量和特殊介質的物理特性，實現對目標細胞的非接觸式、高精度分選。在工作過程中，首先將待分選的細胞樣本均勻地分布在含有特殊介質的分選芯片上。這種特殊介質通常具有對激光能量的敏感特性，能夠在激光的作用下發生特定的物理變化。當激光束聚焦在分選芯片上時，激光的能量被特殊介質吸收，引發介質的局部快速升溫或相變等物理過程。在這個過程中，目標細胞周圍的特殊介質會產生瞬間的物理變化，如形成微小的沖擊波或噴射流，這些物理變化產生的作用力會精確地作用于目標細胞，使其從細胞群體中被彈射出來，實現與其他細胞的分離。以中科院長春光機所李備團隊研發的單細胞精準分選儀為例，該設備利用激光與特殊介質的相互作用，就如同為細胞安置了飛機的彈射座椅。當通過顯微成像系統和智能識別軟件鎖定目標細胞后，操作“彈射座椅”，即發射激光，激光作用于特殊介質，產生的力量將目標細胞從群體中精準地分離出來。這種技術不對細胞進行任何“修飾”，避免了傳統分選技術中標記物對細胞的影響，最大程度地保持了細胞本來的狀態。同時，該技術對不同類型、尺寸的細胞具有良好的普適性，能夠應對各種性狀的復雜生物樣本，特別適用于微生物單細胞分選。在分選過程中，激光只作用于分選芯片的特殊材料上，目標細胞隨材料一起被彈出，這種隔空取物的方式幾乎對細胞沒有損傷，保證了細胞的高活性和完整性。3.1.3其他主動分選技術原理簡述除了基于微流控沖擊打印和激光精準分選的技術外，還有一些其他的主動分選技術在無標記細胞分離領域也發揮著重要作用，其中基于介電泳的技術是較為典型的一種。基于介電泳的無標記細胞分離技術，其原理是利用細胞在非均勻電場中受到的介電泳力來實現細胞的操控和分離。當細胞處于非均勻電場中時，由于細胞的介電常數與周圍介質的介電常數存在差異，細胞會被極化，表面感生出正負電荷。這些感生電荷在非均勻電場中會受到不同大小和方向的電場力作用，從而產生介電泳力。不同類型的細胞由于其介電常數、電導率等電學性質的不同，在相同的非均勻電場中所受到的介電泳力大小和方向也各不相同。通過精心設計微流控芯片的微電極陣列結構，并施加合適的交變電場參數，就可以使目標細胞在介電泳力的作用下沿著特定的軌跡運動，從而實現與其他細胞的分離。在基于介電泳的液滴分選實驗中，通過在微流控芯片的電極上施加高壓方波脈沖，使液滴在介電泳力的作用下從流阻較小的流道出口轉移到流阻較大的流道出口，實現了液滴的分選。實驗過程中發現，電壓幅值和頻率對分選效果有著顯著的影響，需要選擇合適的電壓幅值和頻率，才能保證液滴的正常分選。這種技術在細胞鑒別和分離領域具有重要的應用價值，能夠實現對懸浮細胞的有效分離。3.2典型案例分析3.2.1中國科大微流控沖擊打印單細胞分選案例中國科學技術大學工程科學學院微納米工程研究室的李保慶副教授團隊提出并實現了一種基于微流控沖擊打印的無標記單細胞分選技術，成果發表在工程技術領域著名期刊《LabonaChip》，并入選當期封面。該研究旨在解決現有單細胞分離技術依賴熒光標記和性能低下的問題，開發出一種新的單細胞分離技術，使用微流控沖擊打印與細胞二維圖像實時識別技術，將單細胞封裝在單個液滴中。實驗設計上，單細胞分離系統由信號控制模塊、圖像處理模塊、打印模塊三個模塊組成。細胞懸浮液在壓力泵的推動下從微流控通道入口流動到出口，高速相機實時捕捉采集檢測區域的圖像，利用計算機對圖像進行實時處理，以識別單個細胞。具體圖像處理過程包括背景提取、高斯去噪、閾值分割等，通過這些處理精確識別出單個細胞，并計算出其在二維平面上的位置。當識別到目標單細胞后，向信號控制模塊發送觸發信號，觸發壓電致動器撞擊打印室上的柔性薄膜，從噴嘴處產生一個包含單個細胞的液滴，并結合位移臺運動形成單細胞液滴陣列。在結果分析方面，實驗表明該技術具有顯著優勢。在捕獲效率上，有95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細胞捕獲效率，這意味著該技術能夠高效地將單個細胞從細胞群體中分離出來。在通量方面，可以在2Hz的通量下產生單細胞液滴陣列，滿足了一定的高通量需求。細胞存活率高達96.6%，說明該技術對細胞的損傷極小，能夠最大程度地保持細胞的活性。與傳統的流式細胞分選相比，該方法采用圖像處理方法代替熒光標記來識別細胞，簡化了樣品制備過程，降低了對細胞功能和活力的損害。利用相機實時拍攝，結合圖像處理實時計算檢測細胞的二維位置，檢測精度更高，確保了單細胞封裝的高效率。此技術在單細胞組學、組織工程和細胞系開發等領域展現出了巨大的應用潛力，為這些領域的研究提供了一種高效、無標記的單細胞分選方法。3.2.2中科院長春光機所激光精準分選案例中科院長春光機所李備團隊研發的單細胞精準分選儀是世界上公開發布的第一款基于激光精準分選技術的商業化單細胞分離產品，該設備在復雜生物樣本的單細胞分選中具有重要應用。該設備的工作原理是利用激光與特殊介質的相互作用，如同為細胞安置了飛機的彈射座椅。當通過顯微成像系統和智能識別軟件鎖定目標細胞后，發射激光，激光作用于特殊介質，產生的力量將目標細胞從群體中精準地分離出來。這種技術不對細胞進行任何“修飾”，避免了傳統分選技術中標記物對細胞的影響，最大程度地保持了細胞本來的狀態。同時，對不同類型、尺寸的細胞具有良好的普適性，能夠應對各種性狀的復雜生物樣本，特別適用于微生物單細胞分選。在實際應用中，以醫療領域為例，該設備可從血液、尿液等成分復雜的臨床樣本中，快速定位并分離病原微生物，從而及時指導用藥，為重癥感染患者爭取黃金治療期，防止抗生素濫用。在腫瘤醫學方面，它可以對癌細胞做到單細胞水平的診斷，為早期癌癥篩查和治療提供基礎。在生物制藥領域，通過對具有特殊生理功能或代謝產物的微生物的快速、定向分選，大幅縮短制藥菌制備周期、加速新藥研發進程。從分選效果來看，該設備實現了對復雜生物樣本中單細胞的精準分離，具有無標記、非接觸、準確率高、廣泛適用等特點。與當前應用最為廣泛的流式細胞分選技術相比，單細胞精準分選技術具有“百步穿楊”和“隔空取物”兩項優勢。“百步穿楊”體現在對于由成千上萬個細胞組成的生物樣本，流式細胞分選更擅長將其中尺寸較大（10微米以上）、類型相同的細胞分選出來，但對于尺寸幾微米甚至更小的微生物細胞、或某個特定的目標細胞分選，流式細胞儀就顯得有些力不從心，而單細胞精準分選儀通過與顯微成像系統配合，可對復雜生物樣本中任一目標細胞進行分選，真正實現“精準分選”。“隔空取物”則是指流式細胞分選分選過程中，高流速容易對細胞造成損傷，而單細胞激光彈射技術在分選時，激光只作用于分選芯片的特殊材料上，目標細胞隨材料一起被彈出，這種隔空取物的方式幾乎對細胞沒有損傷。3.3技術優勢與局限性主動分選的無標記細胞分離技術以其獨特的工作原理，在細胞分選領域展現出了諸多顯著的優勢，為生命科學研究和臨床應用提供了有力的支持。但與此同時，這類技術也存在著一些局限性，在實際應用中需要綜合考慮。主動分選技術的優勢首先體現在其分選效率和準確性上。基于微流控沖擊打印的技術，能夠通過實時圖像處理快速準確地識別單細胞，并利用沖擊打印將單細胞封裝在單個液滴中，形成單細胞液滴陣列。中國科學技術大學工程科學學院微納米工程研究室的李保慶副教授團隊提出的基于微流控沖擊打印的無標記單細胞分選技術，就具有95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細胞捕獲效率。基于激光精準分選的技術，通過激光與特殊介質的相互作用，能夠對目標細胞進行非接觸式的精準彈射分離，實現對復雜生物樣本中任一目標細胞的分選。中科院長春光機所李備團隊研發的單細胞精準分選儀，能夠從血液、尿液等成分復雜的臨床樣本中，快速定位并分離病原微生物，為重癥感染患者爭取黃金治療期。這些技術的高精度和高特異性，使得它們在腫瘤細胞檢測、干細胞分選、微生物單細胞分選等對細胞純度和活性要求較高的領域具有重要的應用價值。主動分選技術還具有對細胞損傷小的優勢。如單細胞激光彈射技術在分選時，激光只作用于分選芯片的特殊材料上，目標細胞隨材料一起被彈出，這種隔空取物的方式幾乎對細胞沒有損傷，能夠最大程度地保持細胞的活性和完整性。這對于需要保持細胞原始狀態進行后續研究的實驗，如干細胞培養和分化研究、細胞治療等，具有重要意義。主動分選技術也存在一些局限性。這類技術通常對設備的要求較高，需要精密的儀器和復雜的系統來實現對細胞的操控和分選。基于微流控沖擊打印的技術需要高速相機、信號控制模塊、壓電致動器等多個組件協同工作，設備成本較高。基于激光精準分選的技術需要高精度的激光系統和特殊的分選芯片，設備的研發和制造成本也相對較高。這使得主動分選技術的推廣和應用受到了一定的限制，尤其是在一些資源有限的實驗室和臨床環境中。主動分選技術的操作復雜性也是一個需要關注的問題。這些技術往往需要專業的技術人員進行操作和維護，對操作人員的技術水平和經驗要求較高。在基于介電泳的細胞分選技術中，需要精確控制電場參數，如電壓幅值、頻率等，以實現對細胞的有效分選。不同類型的細胞對電場參數的響應不同，需要操作人員根據具體情況進行調整，這增加了操作的難度和復雜性。主動分選技術在一些情況下還可能對細胞產生潛在的影響。盡管激光精準分選技術對細胞的損傷較小，但激光的能量和特殊介質的物理變化可能會對細胞的生理功能產生一定的影響，需要進一步的研究來評估其安全性和可靠性。四、被動分選的無標記細胞分離技術4.1技術原理與分類被動分選的無標記細胞分離技術是一種基于細胞自身物理性質差異，在特定的微流控芯片或其他分選裝置中實現細胞自然分離的技術。該技術無需外部施加額外的物理場，僅依靠芯片自身的物理結構或者流道中細胞之間的相互作用產生的流體動力來實現分選。其原理主要基于細胞的大小、形狀、密度、可變形性等物理性質，以及流體動力學、慣性力、擴散力等物理原理。根據這些原理，被動分選的無標記細胞分離技術可分為基于微結構過濾的技術、基于流體動力學的技術、基于微液滴的技術等不同類型。這些技術在生物醫學、藥物研發、生物工程等領域都有著廣泛的應用，為細胞分析和研究提供了重要的手段。4.1.1基于微結構過濾的技術原理基于微結構過濾的無標記細胞分離技術，是一種利用微流控芯片中特定微結構來篩選不同大小細胞的方法。該技術的核心在于通過精心設計微流控芯片的微結構，如微柱陣列、微通道網絡等，使其能夠根據細胞的大小差異對細胞進行有效分離。當細胞懸浮液在微流控芯片的微通道中流動時，不同大小的細胞會受到微結構的不同作用。尺寸小于微結構間隙的細胞能夠順利通過微結構，而尺寸大于微結構間隙的細胞則會被阻擋或改變運動軌跡。在具有微柱陣列的微流控芯片中，較小的細胞可以在微柱之間的間隙中自由流動，而較大的細胞則會與微柱發生碰撞，從而被滯留在特定區域。通過合理設計微柱的尺寸、間距以及排列方式，可以實現對不同大小細胞的精準篩選。這種技術的分選機制主要基于物理篩分原理。就像日常生活中的篩子，根據篩孔的大小可以篩選出不同粒徑的顆粒。在微流控芯片中，微結構就相當于篩孔，細胞則相當于顆粒。通過精確控制微結構的尺寸和形狀，能夠實現對細胞的高效分離。該技術具有操作簡單、成本較低的優點，適用于對細胞大小差異較為明顯的樣品進行分選。在血液細胞分析中，可以利用基于微結構過濾的技術將紅細胞、白細胞等不同大小的細胞分離開來，為后續的細胞分析和診斷提供基礎。4.1.2基于流體動力學的技術原理基于流體動力學的無標記細胞分離技術，是一種利用細胞在流體中運動特性差異來實現細胞分選的方法。該技術的原理基于流體動力學中的慣性力、粘滯力、Dean力等多種力的作用。當細胞懸浮液在微流控芯片的微通道中流動時，細胞會受到流體的作用力。不同大小、形狀和密度的細胞在流體中受到的這些力的大小和方向不同，從而導致它們在微通道中的運動軌跡發生差異。在慣性微流控技術中，當細胞在微通道中高速流動時，會受到慣性力的作用。較大的細胞由于慣性較大，更容易偏離流線，向微通道的特定位置聚集；而較小的細胞則由于慣性較小，更傾向于沿著流線運動。通過合理設計微通道的形狀和尺寸，以及控制流體的流速，可以使不同大小的細胞在微通道中形成不同的運動軌跡，從而實現細胞的分離。在螺旋形微流控芯片中，細胞在流動過程中會受到Dean力的作用。Dean力是由于流體在彎曲通道中流動時產生的二次流而產生的。細胞在Dean力的作用下，會向微通道的外側或內側聚集，具體取決于細胞的大小和形狀。通過調節微通道的曲率、流速等參數，可以實現對不同細胞的有效分離。這種技術的實現方式主要是通過優化微流控芯片的設計和流體的控制。通過精確控制微通道的幾何形狀、尺寸以及流體的流速、流量等參數，可以實現對細胞運動軌跡的精確控制，從而達到高效分選細胞的目的。該技術具有高通量、無標記、對細胞損傷小等優點，在生物醫學檢測、細胞分析等領域具有廣泛的應用前景。在循環腫瘤細胞的檢測中，基于流體動力學的技術可以從大量的血細胞中分離出稀少的循環腫瘤細胞，為腫瘤的早期診斷和治療提供重要的依據。4.1.3基于微液滴的技術原理基于微液滴的無標記細胞分離技術，是一種將細胞包裹在微液滴中，利用微液滴的特性來實現細胞分選的方法。該技術的原理是利用微流控技術將細胞懸浮液分割成大量的微小液滴，每個液滴中可能包含單個或多個細胞。在微液滴生成過程中，通過精確控制微流控芯片的結構和流體的流速，可以實現對微液滴大小和細胞包裹情況的精確控制。通常采用兩相流的方式，將細胞懸浮液作為分散相，與連續相（通常為油相）在微流控芯片的特定結構中相遇，通過剪切力的作用將細胞懸浮液分割成微液滴。在T型或十字型微流控芯片中，細胞懸浮液和油相在通道的交叉處相遇，通過調節流速比，可以生成大小均勻的微液滴，并將細胞包裹其中。在分選過程中，利用微液滴的物理性質差異，如大小、表面電荷、熒光特性等，以及微液滴在電場、磁場、聲場等外部場中的響應差異，實現對包裹有目標細胞的微液滴的分選。可以利用介電泳技術，根據微液滴的介電性質差異，在非均勻電場中對微液滴施加不同的作用力，從而實現對微液滴的分選。也可以利用熒光檢測技術，對包裹有熒光標記細胞的微液滴進行識別和分選。這種技術的微液滴生成和分選過程緊密相關。高質量的微液滴生成是實現高效分選的基礎，而精確的分選則依賴于對微液滴特性的準確檢測和對外部場的精確控制。該技術具有單細胞分析能力強、高通量、可實現并行處理等優點，在單細胞測序、藥物篩選、細胞培養等領域具有重要的應用價值。在單細胞測序中，基于微液滴的技術可以將單個細胞包裹在微液滴中，實現對單個細胞的全基因組擴增和測序，為研究細胞的異質性提供了有力的工具。4.2典型案例分析4.2.1螺旋式微流控芯片被動分選案例為了驗證螺旋式微流控芯片在細胞分選中的有效性，研究人員進行了相關實驗。實驗中，選用了直徑分別為7.5μm和15μm的聚苯乙烯微粒來模擬細胞，將其濃度調制為1.0×10?beads/ml，并分別用FITC（綠色）和TRITC（橙紅色）對微粒進行染色，以便于觀察和區分。實驗設定流速為1.5ml/min（即1.5×10?beads/min），使用倒置顯微鏡拍攝圖像，并對所拍攝到的圖像進行合成，以顯示兩種微粒的運動軌跡。從實驗結果來看，分選效果十分明顯。綠色線代表FITC染色的7.5μm微粒的運動軌跡，這些微粒從第1、2通道流出；橙紅色線代表TRITC染色的15μm微粒的運動軌跡，它們在第4通道流出。這表明不同尺寸的微粒在螺旋式微流控芯片中，由于受到慣性力和Dean力的作用，運動軌跡發生了明顯的差異，從而實現了高效的分離。螺旋式微流控芯片在細胞分選中具有重要的應用價值。在循環腫瘤細胞的檢測中，由于循環腫瘤細胞與正常血細胞在大小、形狀等物理屬性上存在差異，通過螺旋式微流控芯片，可以利用這些差異將稀少的循環腫瘤細胞從大量的血細胞中分離出來。這種技術為腫瘤的早期診斷和治療提供了重要的依據，有助于醫生及時了解患者的病情，制定更加精準的治療方案。4.2.2基于微結構過濾的細胞分選案例重慶大學的研究團隊設計并制備了一種由ITO微電極及PDMS微結構通道組成的微流控芯片，旨在實現基于微結構過濾和介電泳效應的細胞分選。在芯片設計方面，通過仿真分析了不同形狀的過濾微柱所誘導形成的電場強度梯度分布，以此為依據設計了具有特定微結構的過濾微柱。在微過濾結構區域集成微電極，通過調節過濾結構幾何參數和加載的交流信號參數，誘導形成可以驅動細胞往低場強區域運動的負向介電電泳效應，進而避免待分選細胞在過濾孔區域的堵塞。在實驗條件設置上，采用負壓驅動，在35Vp~p/10KHz的交流信號條件下，對37μm、16.3μm、9.7μm三種尺度微粒進行分選；在100Vp~p/10KHz的交流信號條件下，對雨生紅球藻細胞進行分選富集。實驗結果顯示，該芯片對三種尺度微粒的分選效果良好。在對37μm微粒的分選中，其在收集區的占比達到85%；對16.3μm微粒的收集效率達到89%；對9.7μm微粒的收集效率達到90%。對雨生紅球藻細胞也有較好的收集效果，在第一級收集到細胞尺寸較大、活性較好的雨生紅球藻，第二級收集到少量尺寸較大但活性不好的雨生紅球藻和部分片球藻，并完成了對雨生紅球藻的分選收集。這表明該芯片及分選方法對非生物樣品和生物樣品都具有較好的分選收集效果，并且在一定程度上解決了微柱過濾方法中的堵塞問題，提高了分選通量。4.3技術優勢與局限性被動分選的無標記細胞分離技術以其獨特的工作原理，在細胞分選領域展現出了諸多顯著的優勢，但同時也存在一定的局限性。被動分選技術的優勢首先體現在其操作的簡便性和對細胞的低損傷性上。基于微結構過濾的技術，如重慶大學研究團隊設計的微流控芯片，通過精心設計微結構，利用物理篩分原理實現細胞分選，操作簡單，成本較低。這種技術對細胞的損傷較小，能夠較好地保持細胞的活性和完整性，適用于對細胞活性要求較高的實驗。基于流體動力學的技術，如螺旋式微流控芯片，利用細胞在流體中的運動特性差異進行分選，無需外部施加額外的物理場，對細胞的干擾較小。在循環腫瘤細胞的檢測中，這種技術能夠從大量的血細胞中分離出稀少的循環腫瘤細胞，且對細胞的損傷小，為后續的細胞分析和診斷提供了高質量的樣本。被動分選技術還具有高通量的優勢。基于微液滴的技術，能夠將細胞包裹在微液滴中，實現高通量的單細胞分析和分選。在單細胞測序中，該技術可以將單個細胞包裹在微液滴中，實現對單個細胞的全基因組擴增和測序，大大提高了測序的通量和效率。被動分選技術也存在一些局限性。基于微結構過濾的技術，雖然操作簡單，但容易出現過濾結構被堵塞的問題，影響分選的效率和穩定性。重慶大學的研究團隊通過在微過濾結構區域集成微電極，利用負向介電電泳效應在一定程度上解決了堵塞問題，但仍需要進一步優化。基于流體動力學的技術，分選精度相對較低，對于一些物理性質差異較小的細胞，難以實現精確分選。在實際應用中，可能會出現部分細胞分離不完全的情況，影響實驗結果的準確性。基于微液滴的技術，對微液滴的生成和分選設備要求較高，設備成本相對較高，限制了其在一些資源有限的實驗室和臨床環境中的應用。五、主動與被動分選技術的比較與融合5.1技術性能對比主動分選技術在分選效率和精度方面表現出色。以基于微流控沖擊打印的技術為例，中國科學技術大學李保慶副教授團隊的研究成果顯示，該技術具有95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細胞捕獲效率，能夠快速準確地識別并分離單細胞。在分選精度上，基于激光精準分選的技術，如中科院長春光機所李備團隊研發的單細胞精準分選儀，能夠通過激光與特殊介質的相互作用，對復雜生物樣本中任一目標細胞進行精準分選，實現對目標細胞的非接觸式、高精度彈射分離。這使得主動分選技術在對細胞純度和活性要求較高的領域，如腫瘤細胞檢測、干細胞分選等，具有重要的應用價值。被動分選技術的分選效率相對較低，在精度上也難以達到主動分選技術的水平。基于微結構過濾的技術，雖然能夠根據細胞大小差異進行分選，但容易出現過濾結構被堵塞的問題，影響分選效率和穩定性。基于流體動力學的技術，如螺旋式微流控芯片，雖然能夠實現高通量的細胞分離，但對于一些物理性質差異較小的細胞，難以實現精確分選。在實際應用中，可能會出現部分細胞分離不完全的情況，影響實驗結果的準確性。在通量方面，被動分選技術具有一定的優勢。基于流體動力學的技術，如慣性微流控技術，能夠在高通量的情況下實現細胞的快速分選。在螺旋式微流控芯片的實驗中，通過設定合適的流速，可以實現較高的通量，滿足大規模細胞分析的需求。而主動分選技術，由于其對設備和操作的要求較高，通量相對較低。基于微流控沖擊打印的技術，雖然在捕獲效率和精度上表現優異，但通量僅為2Hz，難以滿足大規模細胞分選的需求。在細胞損傷方面，被動分選技術對細胞的損傷較小。基于微結構過濾和流體動力學的技術，主要依靠物理原理實現細胞分離，無需外部施加額外的物理場，對細胞的干擾較小。基于微液滴的技術，在微液滴生成和分選過程中，對細胞的損傷也相對較小，能夠較好地保持細胞的活性和完整性。主動分選技術，雖然在不斷改進以減少對細胞的損傷，但在一些情況下，如基于激光精準分選的技術，激光的能量和特殊介質的物理變化可能會對細胞的生理功能產生一定的影響。從設備成本來看，主動分選技術通常需要精密的儀器和復雜的系統，設備成本較高。基于微流控沖擊打印的技術需要高速相機、信號控制模塊、壓電致動器等多個組件協同工作，設備成本較高。基于激光精準分選的技術需要高精度的激光系統和特殊的分選芯片，設備的研發和制造成本也相對較高。被動分選技術的設備成本相對較低。基于微結構過濾的技術，只需要簡單的微流控芯片和流體驅動裝置即可實現分選，成本較低。基于流體動力學的技術，雖然需要設計和制造特殊的微流控芯片，但整體設備成本仍相對較低。5.2適用場景分析主動分選技術由于其高精度和高特異性，適用于對細胞純度和活性要求較高的場景。在腫瘤細胞檢測中，需要從大量的正常細胞中準確地分離出腫瘤細胞，以便進行后續的基因分析和藥物篩選。主動分選技術能夠精確地識別和分離腫瘤細胞，避免正常細胞的干擾，為腫瘤的早期診斷和個性化治療提供準確的細胞樣本。在干細胞分選領域，主動分選技術能夠根據干細胞的特殊物理性質，如電學、光學性質等，將干細胞從復雜的細胞群體中分離出來，保證干細胞的純度和活性，為干細胞治療和再生醫學研究提供高質量的細胞資源。被動分選技術則更適合于對通量要求較高、對細胞損傷較為敏感的場景。在血液細胞分析中，需要對大量的血液樣本進行快速處理，以獲取各種血細胞的信息。被動分選技術如基于流體動力學的慣性微流控技術，能夠在高通量的情況下實現細胞的快速分離，滿足血液細胞分析的需求。在微生物檢測中，被動分選技術可以從復雜的樣品中快速分離出微生物細胞，且對細胞的損傷較小，能夠保持微生物的活性，便于后續的培養和分析。5.3技術融合的可能性與前景主動分選技術和被動分選技術各自具有獨特的優勢和局限性，將兩者進行融合具有很大的可能性和廣闊的前景。從技術原理上看，主動分選技術能夠精確地控制細胞的運動軌跡，實現對目標細胞的高特異性分選；被動分選技術則能夠在高通量的情況下實現細胞的快速分離，且對細胞的損傷較小。將兩者結合，可以充分發揮它們的優勢，彌補各自的不足。在微流控芯片的設計中，可以先利用被動分選技術，如基于流體動力學的慣性微流控技術，對細胞進行初步的分離和富集，將細胞按照大小、形狀等物理性質進行初步分類，提高樣品的純度和濃度。然后，再利用主動分選技術，如基于介電泳的技術，對初步分離后的細胞進行進一步的精確分選，根據細胞的電學性質等差異，將目標細胞從混合細胞群體中精準地分離出來，提高分選的精度和特異性。在實際應用中，技術融合的優勢已經得到了一定的體現。在循環腫瘤細胞的檢測中，由于循環腫瘤細胞在血液中的含量極低，且與正常血細胞的物理性質差異較小，傳統的單一分選技術難以實現高效的分離和檢測。將主動分選技術和被動分選技術相結合，可以先通過基于微結構過濾的被動分選技術，去除血液中的大部分紅細胞和白細胞等雜質，對樣品進行初步富集。再利用基于介電泳的主動分選技術，對富集后的樣品進行精確分選，提高循環腫瘤細胞的捕獲率和純度。這樣不僅可以提高檢測的靈敏度和準確性，還能為后續的腫瘤診斷和治療提供更可靠的依據。技術融合還為細胞分選技術的發展開辟了新的方向。隨著微納加工技術、材料科學、生物醫學工程等多學科的不斷發展，未來可以進一步探索將主動分選技術和被動分選技術與其他先進技術相結合的可能性。將微流控技術與納米技術相結合，開發出具有更高性能的微流控芯片，實現對細胞的更精準操控和分離。利用人工智能和機器學習技術，對細胞分選過程進行實時監測和優化，提高分選的效率和質量。這些技術融合的發展，將為細胞分選技術在生物醫學、藥物研發、生物工程等領域的應用帶來更廣闊的前景。在藥物研發中，通過將主動分選技術和被動分選技術相結合，能夠更高效地篩選出對特定細胞具有作用的藥物，加速藥物研發的進程，為疾病的治療提供更多有效的藥物選擇。六、應用領域與案例分析6.1在生物醫學研究中的應用6.1.1疾病診斷中的細胞分選應用在疾病診斷領域，基于主動和被動分選的無標記細胞分離技術發揮著至關重要的作用，為癌癥、傳染病等疾病的早期診斷和病情監測提供了有力的支持。在癌癥診斷方面，循環腫瘤細胞（CTCs）的檢測對于癌癥的早期發現和轉移監測具有重要意義。由于CTCs在血液中的含量極低，每毫升血液中可能僅有幾個到幾十個，因此需要高效的細胞分選技術將其從大量的血細胞中分離出來。基于被動分選的螺旋式微流控芯片技術，利用細胞在流體中的運動特性差異，能夠實現對CTCs的高效分離。在相關實驗中，選用直徑分別為7.5μm和15μm的聚苯乙烯微粒模擬細胞，設定流速為1.5ml/min，結果顯示不同尺寸的微粒在螺旋式微流控芯片中實現了高效分離。這表明該技術能夠利用CTCs與正常血細胞在大小、形狀等物理屬性上的差異，將稀少的CTCs從大量的血細胞中分離出來，為腫瘤的早期診斷和治療提供重要依據。基于主動分選的介電泳技術，也在CTCs的分離中展現出獨特的優勢。通過在微流控芯片的微電極陣列上施加交變電場，根據CTCs與正常血細胞介電性質的差異，使CTCs在介電泳力的作用下沿著特定的軌跡運動，從而實現與其他細胞的分離。這種技術能夠精確地控制細胞的運動軌跡，提高CTCs的捕獲率和純度，為癌癥的早期診斷和個性化治療提供準確的細胞樣本。在傳染病診斷中，細胞分選技術同樣發揮著重要作用。在病毒感染的診斷中，需要從患者的樣本中分離出被病毒感染的細胞，以便進行病毒載量的檢測和病毒基因的分析。基于主動分選的激光精準分選技術，能夠對目標細胞進行非接觸式的精準彈射分離，從復雜的樣本中快速定位并分離出被病毒感染的細胞，為傳染病的診斷和治療提供關鍵信息。基于被動分選的微結構過濾技術，利用微流控芯片中特定微結構對不同大小細胞的篩選作用，能夠從患者的樣本中分離出病原體細胞，為傳染病的診斷提供依據。6.1.2藥物研發中的細胞分選應用在藥物研發過程中，基于主動和被動分選的無標記細胞分離技術為藥物篩選和藥效評估提供了高質量的細胞樣本，加速了藥物研發的進程。在藥物篩選階段，需要從大量的候選化合物中篩選出具有潛在治療效果的藥物。基于主動分選的微流控沖擊打印技術，能夠快速準確地識別單細胞，并將其封裝在單個液滴中，形成單細胞液滴陣列。中國科學技術大學李保慶副教授團隊的研究成果顯示，該技術具有95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細胞捕獲效率。利用這種技術，可以將不同的候選化合物與單細胞液滴中的細胞進行作用，通過觀察細胞的反應，篩選出對目標細胞具有作用的藥物，提高藥物篩選的效率和準確性。基于被動分選的微液滴技術，能夠將細胞包裹在微液滴中，實現高通量的單細胞分析和分選。在藥物篩選中，將細胞和候選化合物分別包裹在不同的微液滴中，然后使微液滴相互融合，觀察細胞在藥物作用下的變化，從而篩選出具有潛在治療效果的藥物。這種技術能夠實現高通量的藥物篩選，大大縮短了藥物研發的時間。在藥效評估方面，需要準確地評估藥物對目標細胞的治療效果。基于主動分選的激光精準分選技術，能夠從復雜的細胞群體中分離出目標細胞，對藥物作用后的細胞進行精確的分析，評估藥物的療效和安全性。中科院長春光機所李備團隊研發的單細胞精準分選儀，能夠對復雜生物樣本中任一目標細胞進行精準分選，實現對目標細胞的非接觸式、高精度彈射分離。利用該技術，可以將藥物作用后的細胞從細胞群體中分離出來，進行基因表達、蛋白質組學等方面的分析，全面評估藥物的治療效果。基于被動分選的流體動力學技術，能夠在高通量的情況下實現細胞的快速分離，為藥效評估提供大量的細胞樣本。在基于流體動力學的慣性微流控技術中，通過合理設計微通道的形狀和尺寸，以及控制流體的流速，可以使不同大小的細胞在微通道中形成不同的運動軌跡，從而實現細胞的分離。利用這種技術，可以從大量的細胞中快速分離出藥物作用后的細胞，進行大規模的藥效評估，提高評估的準確性和可靠性。6.2在生物技術領域的應用6.2.1單細胞組學研究中的應用在單細胞組學研究中，基于主動和被動分選的無標記細胞分離技術發揮著關鍵作用，為深入探究細胞的基因表達和功能提供了重要手段。在單細胞基因組測序方面，精準的單細胞分離是獲取高質量基因組數據的基礎。基于主動分選的微流控沖擊打印技術，能夠通過實時圖像處理快速準確地識別單細胞，并將其封裝在單個液滴中，形成單細胞液滴陣列。中國科學技術大學李保慶副教授團隊的研究成果顯示，該技術具有95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細胞捕獲效率。利用這種技術，可以將單個細胞從復雜的細胞群體中高效分離出來，為單細胞基因組測序提供純凈的細胞樣本。在對腫瘤細胞的單細胞基因組測序中，通過微流控沖擊打印技術分離得到的單細胞，能夠準確地檢測到腫瘤細胞的基因突變情況，為腫瘤的精準診斷和治療提供了關鍵信息。基于被動分選的微結構過濾技術，也在單細胞基因組測序中具有重要應用。通過精心設計微流控芯片的微結構，如微柱陣列、微通道網絡等，能夠根據細胞的大小差異對細胞進行有效分離。在對干細胞的單細胞基因組測序中，利用微結構過濾技術可以從混合細胞群體中分離出干細胞，避免其他細胞的干擾，從而準確地分析干細胞的基因組特征，為干細胞的分化機制研究和臨床應用提供了有力支持。在單細胞轉錄組測序中，細胞分選技術同樣不可或缺。基于主動分選的激光精準分選技術，能夠對目標細胞進行非接觸式的精準彈射分離，從復雜的細胞群體中分離出特定的細胞，用于轉錄組測序。中科院長春光機所李備團隊研發的單細胞精準分選儀，能夠對復雜生物樣本中任一目標細胞進行精準分選，實現對目標細胞的非接觸式、高精度彈射分離。利用該技術，可以從不同組織和器官中分離出特定類型的細胞，對其進行轉錄組測序，揭示細胞的基因表達譜，為研究細胞的功能和分化提供了重要依據。基于被動分選的流體動力學技術，能夠在高通量的情況下實現細胞的快速分離，為單細胞轉錄組測序提供了大量的細胞樣本。在基于流體動力學的慣性微流控技術中，通過合理設計微通道的形狀和尺寸，以及控制流體的流速，可以使不同大小的細胞在微通道中形成不同的運動軌跡，從而實現細胞的分離。利用這種技術，可以從大量的細胞中快速分離出不同類型的細胞，對其進行轉錄組測序，分析細胞之間的基因表達差異，為研究細胞的異質性和發育過程提供了重要信息。6.2.2細胞系開發中的應用在細胞系開發過程中，基于主動和被動分選的無標記細胞分離技術對于獲取高質量的細胞系具有重要意義，能夠提高細胞系的穩定性和功能性。在細胞系建立階段，需要從復雜的細胞群體中分離出具有特定特性的細胞，以建立穩定的細胞系。基于主動分選的介電泳技術，能夠根據細胞的介電性質差異，對細胞進行精準分選。通過在微流控芯片的微電極陣列上施加交變電場，使目標細胞在介電泳力的作用下沿著特定的軌跡運動，從而實現與其他細胞的分離。在建立腫瘤細胞系時，利用介電泳技術可以從腫瘤組織中分離出具有高增殖能力和腫瘤特性的細胞，建立具有代表性的腫瘤細胞系，為腫瘤研究提供了重要的實驗模型。基于被動分選的微液滴技術，能夠將細胞包裹在微液滴中，實現高通量的單細胞分析和分選。在細胞系建立過程中，利用微液滴技術可以將單個細胞包裹在微液滴中，對其進行培養和篩選，從而建立具有特定功能的細胞系。在建立干細胞系時，通過微液滴技術將單個干細胞包裹在微液滴中，進行單細胞培養和分化誘導，篩選出具有穩定干性和分化能力的干細胞系，為干細胞治療和再生醫學研究提供了高質量的細胞資源。在細胞系優化階段，需要對已建立的細胞系進行篩選和優化，以提高細胞系的性能。基于主動分選的微流控沖擊打印技術，能夠快速準確地識別單細胞，并將其封裝在單個液滴中，形成單細胞液滴陣列。利用這種技術，可以對細胞系中的單個細胞進行分析和篩選，去除不良細胞，保留具有優良特性的細胞，從而優化細胞系的質量。在對工程細胞系的優化中，通過微流控沖擊打印技術對細胞系中的單個細胞進行篩選，去除表達異常的細胞，提高工程細胞系的蛋白表達水平和穩定性。基于被動分選的流體動力學技術，能夠在高通量的情況下實現細胞的快速分離，為細胞系優化提供了大量的細胞樣本。在基于流體動力學的慣性微流控技術中，通過合理設計微通道的形狀和尺寸，以及控制流體的流速，可以使不同大小的細胞在微通道中形成不同的運動軌跡，從而實現細胞的分離。利用這種技術，可以從細胞系中快速分離出不同狀態的細胞，對其進行分析和篩選，優化細胞系的組成，提高細胞系的性能。在對雜交瘤細胞系的優化中，通過慣性微流控技術從雜交瘤細胞系中分離出高產抗體的細胞，進一步培養和擴增，提高雜交瘤細胞系的抗體產量和質量。七、結論與展望7.1研究成果總結本研究深入探討了基于主動和被動分選的無標記細胞分離技術，全面剖析了這兩種技術的原理、特點、應用及相互比較。主動分選技術借助外部物理場，如電場、磁場、聲場、光場等，對細胞施加特定作用力以實現精準操控和分離。基于微流控沖擊打印的技術，通過實時圖像處理快速識別單細胞，并利用沖擊打印將其封裝在液滴中，具有95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細胞捕獲效率，細胞存活率高達96.6%，在單細胞組學、組織工程和細胞系開發等領域展現出巨大潛力。基于激光精準分選的技術，利用激光與特殊介質相互作用，對目標細胞進行非接觸式精準彈射分離，能夠從復雜生物樣本中快速定位并分離病原微生物，在醫療、腫瘤醫學和生物制藥等領域具有重要應用。被動分選技術依據細胞自身物理性質，如大小、形狀、密度、可變形性等，在微流控芯片等裝置中利用流體動力學、慣性力、擴散力等實現自然分離。基于微結構過濾的技術，利用微流控芯片的微結構根據細胞大小差異進行篩選，操作簡單、成本低，但易出現堵塞問題。重慶大學研究團隊設計的微流控芯片，通過在微過濾結構區域集成微電極，利用負向介電電泳效應在一定程度上解決了堵塞問題，對非生物樣品和生物樣品都