高效循环肿瘤细胞分离技术：基于Ω形与收缩-扩张复合微流道的集成化创新

【编辑推荐】本研究针对循环肿瘤细胞(CTC)分离中效率与纯度难以兼顾的难题，开发了集成Ω形环和收缩-扩张结构的惯性微流控芯片。通过有限元模拟优化流道参数，实验验证显示其对MCF-7细胞的分离效率达96.8%、纯度95.2%，为液体活检提供了高通量无标记解决方案。

　　

癌症的早期诊断一直是医学界的重大挑战。据统计，2024年仅美国每天就有约5500例新发癌症病例，其中转移是导致死亡的主因。循环肿瘤细胞（CTC）作为"液体活检"的关键标志物，在每10 mL血液中仅有1-10个，其高效分离犹如"大海捞针"。传统微流控技术面临效率、纯度和通量的"不可能三角"——螺旋通道结构复杂易堵塞，收缩-扩张阵列(CEA)虽简单但通量低，而梯形截面的设计更是难以普及。

为解决这些矛盾，Sharif University of Technology的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表创新成果。他们巧妙融合Ω形环的二次流调控能力与收缩-扩张结构的惯性聚焦特性，通过有限元方法(FEM)精确模拟流道内Dean流与升力平衡。模拟显示在样品流速0.09 mL/min、鞘液流速0.225 mL/min时，MCF-7细胞能实现100%的理论分离效率。实际测试中，该装置以96.8%的效率和95.2%的纯度远超同类技术，且通道高度优化至70 μm以上避免了细胞堵塞风险。

关键技术包括：1）多物理场耦合模拟优化Ω形环曲率半径与收缩-扩张比；2）PDMS软光刻制备三维复合微流道；3）高速显微成像追踪细胞运动轨迹；4）临床级MCF-7细胞系验证性能。

【几何设计】
Ω形环结构产生强Dean涡流，驱动较大CTC贴外侧运动，而收缩-扩张单元通过周期性高度变化（X/Y=0.7）增强惯性升力差异。这种"双机制协同"设计使15 μm以上细胞与血细胞形成明确聚焦路径。

【数值结果】
FEM模拟揭示流速比是关键调控参数：鞘流/样品流2.5:1时，7 μm与20 μm颗粒轨迹分离度达峰值。收缩区高度70 μm既保证通量又避免细胞损伤，5个Ω形环可实现充分聚焦。

【结论】
该研究突破现有技术瓶颈，首次实现Ω形结构与CEA的拓扑集成。96.8%的分离效率较同类技术提升近10%，且处理时间缩短至1小时内。特别值得注意的是，系统在保持高纯度（95.2%）的同时通量达3 mL/min，为临床CTC检测提供标准化解决方案。

这项工作的科学价值在于：1）建立惯性微流控多参数耦合设计准则；2）证实复合流道结构的协同增强效应；3）推动液体活检设备向"芯片实验室"方向发展。正如作者Amir Shamloo团队强调的，这种模块化设计可扩展至外泌体分离等领域，为精准医疗提供新的技术范式。