超低纵横比微通道中有序微障碍物增强二次流的高通量细胞聚焦技术研究

本研究针对低纵横比(AR=1:9)微通道中二次流调控机制不明确的问题，通过在半圆形和直形微通道中设置相同数量微障碍物，系统比较了两种构型在不同灌注速率下的二次流加速模式。研究发现两种改进构型均可实现高通量(2×106-4×106 cells/min)癌细胞靶向操控，为惯性微流控( inertial microfluidics )系统设计提供了新思路。

　　

在生命科学和医学检测领域，精确操控微米级颗粒始终是项关键挑战。特别是随着单细胞分析、血浆提取等技术的发展，如何在微流控芯片中实现高效率的细胞聚焦（cell focusing）成为研究热点。传统方法往往面临吞吐量低、操控精度不足等问题，而惯性微流控（inertial microfluidics）技术因其独特的几何驱动二次流（secondary flow）特性展现出巨大潜力。然而，当研究人员试图通过增加通道尺寸提高通量时，却遭遇制造成本飙升的困境。更棘手的是，对于超低纵横比（aspect ratio, AR=1:9）微通道中二次流的调控机制，特别是直形与弯曲通道的差异，始终缺乏系统研究。

山西农业大学的科研团队在《Microchemical Journal》发表的研究，正是针对这些关键问题展开攻关。他们创新性地在半圆形（半径R=6000μm）和直形微通道中植入相同数量的微障碍物（micro-obstacles），通过对比实验揭示了两种构型在不同灌注速率下截然不同的二次流加速模式。这项研究不仅为超低AR微通道设计提供了理论依据，更实现了每分钟200万至400万细胞的高通量操控，为癌症细胞检测等应用开辟了新途径。

关键技术方法包括：1）设计H/W=100μm/900μm的超低AR微通道；2）在直形/弯曲（R=6000μm）通道中植入相同数量微障碍物；3）通过流体动力学分析比较二次流加速模式；4）评估2×10⁶-4×10⁶ cells/min通量范围内的癌细胞靶向效率。

【Secondary flow enhancement】
研究发现弯曲通道产生的迪恩流（Dean flow）与直通道的惯性升力（inertial lift）存在显著差异。当植入相同数量微障碍物时，半圆形通道在低流速区（<50μL/min）即出现明显的二次流涡旋，而直通道需要更高流速（>80μL/min）才能激发等效流动。这种差异源于曲率半径与微障碍物的协同作用。

【Conclusion】
研究证实两种构型各有优势：弯曲通道更适合低流速精确操控，直通道则在高通量（>3×10⁶ cells/min）时保持更稳定的聚焦效果。特别值得注意的是，优化的障碍物排列使癌细胞捕获效率提升40%，且通量可达传统设计的5倍。

这项研究的突破性在于首次系统比较了超低AR微通道中几何构型对二次流的影响规律。提出的"障碍物-曲率"协同调控机制，不仅解决了高通量与高精度难以兼得的矛盾，其简易的通道设计更大幅降低了制造成本。这些发现为下一代惯性微流控设备开发提供了重要指导，尤其在循环肿瘤细胞检测等临床应用中展现出巨大转化价值。正如作者Jianping Guo强调的，这种适应性强的设计框架，可望推广到器官芯片、药物筛选等更广阔领域。