仿生角度微流控平台：用于现场筛选高质量动物精子的革新性技术

《Cell Reports Physical Science》：Biomimetic angular microfluidic platform for onsite selection of high-quality animal sperm

本刊推荐一项革新性生殖技术研究：针对传统密度梯度离心法(DGC)在精子筛选过程中易导致DNA损伤、氧化应激等问题，研究人员开发了一种仿生角度微流控平台。该平台通过模拟雌性生殖道角度结构，利用精子趋触性(thigmotaxis)实现高质量精子的被动筛选。研究结果显示，微流控筛选的精子在运动性、形态正常率和DNA完整性方面均显著优于DGC法，且首次揭示了公羊精子特有的边界导航优势。这项技术为畜牧业和伴侣动物繁殖提供了无需离心的便携式解决方案，对提升人工授精效率具有重要应用价值。

　　

在现代畜牧业和伴侣动物繁殖领域，高质量精子的筛选效率直接关系到遗传改良进程和经济收益。然而，当前主流的密度梯度离心法(DGC)存在明显局限：离心过程产生的机械应力可能导致精子DNA碎片化，且无法模拟雌性生殖道内精子自然筛选的生理环境。尤其在山羊、犬类等物种的农场繁殖场景中，离心设备往往难以普及。这些痛点催生了对更温和、更仿生筛选技术的迫切需求。

针对这一挑战，悉尼科技大学Majid Ebrahimi Warkiani团队在《Cell Reports Physical Science》发表了一项突破性研究，开发出一种基于角度微通道的仿生平台。该设计灵感来源于雌性生殖道的复杂解剖结构，通过模拟宫颈褶皱的角度变化，引导精子展现其天然的趋触性行为——即沿边界导航的生物学特性。研究人员假设，这种仿生筛选能比传统方法更有效地富集高质量精子。

为验证这一设想，团队选取了具有重要经济价值的公牛(n=20)、公羊(n=24)和公犬(n=18)冷冻精液样本，系统比较了原始精液(RAW)、DGC处理和后微流控筛选三组的质量差异。研究通过计算机辅助精液分析(CASA)、流式细胞术、形态学染色等多维度评估手段，揭示了微流控筛选的显著优势。

关键技术方法包括：采用树脂3D打印制作具有45°-135°角度变化的微流控芯片；通过精子染色质结构 assay(SCSA)检测DNA碎片指数(DFI)；使用FITC-PNA/PI双染色流式分析顶体完整性和存活率；结合Diff-Quik染色进行形态学评估；并利用荧光显微技术量化精子边界导航行为。

微流控筛选实现跨物种精子功能富集

浓度分析显示微流控组精子回收率显著降低（公羊组降低70倍），但质量参数全面提升。运动性方面，公羊精子总运动力从35.98%提升至72.75%，前进运动力提升3倍，且运动轨迹显示更线性的前进模式。这种“质优于量”的选择特性印证了平台的筛选效率。

顶体完整性与DNA稳定性的同步提升

流式细胞检测发现，微流控处理的公羊精子顶体完整率从31.39%跃升至70.98%，显著优于DGC组(54.06%)。更重要的是DNA碎片指数(DFI)的改善：公羊精子DFI从10.50%降至0.79%，证明微流控的温和处理能有效保持基因组完整性。

运动动力学与方向性优化

CASA深度分析揭示了有趣的运动参数变化：虽然曲线速度(VCL)无显著差异，但直线速度(VSL)和平均路径速度(VAP)在微流控组显著提升。公羊精子的线性度(LIN)从65.91%提高至74.21%，振幅侧头位移(ALH)从5.48μm降至4.08μm，表明筛选后的精子具有更稳定的前进轨迹和更小的头部摆动幅度。

公羊精子展现卓越趋触性导航能力

通过对比三种动物宫颈解剖结构，研究人员发现母羊宫颈具有最复杂的褶皱形态。与此对应，在135°锐角通道导航测试中，公羊精子以89.10%的成功率显著优于公牛(70.80%)和公犬(70.55%)，说明其进化出了适应复杂生殖道的特殊导航能力。这种物种特异性差异为不同动物的繁殖策略优化提供了重要依据。

讨论部分指出，该技术的核心优势在于用生理性筛选替代机械性分离。微流控通道中精子的自主迁移行为模拟了体内自然选择过程，避免了DGC的离心损伤。特别值得注意的是，平台能处理浓度超3亿/mL的精液样本，满足临床人工授精需求。研究者建议下一步开展田间试验验证受孕率，并探索在马匹繁殖中应用的可能性——因其精液中的致敏成分可被芯片有效阻隔，可能改善子宫内膜炎问题。

这项研究标志着精子筛选技术从“机械分离”到“仿生选择”的范式转变。通过将生殖生物学基础研究与微流控工程创新结合，不仅为畜牧业提供了可现场部署的便携式解决方案，更为理解精子导航的进化适应提供了新视角。随着全球对动物蛋白需求增长，这种能提升繁殖效率的技术有望在食品安全和遗传资源保护领域发挥重要作用。