《Optics & Laser Technology》：Experimental and numerical investigation of cell transfer and separation in sodium alginate fluid using a laser-induced micropore array chip
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摘要激光诱导正向转移（LIFT）为单细胞操控提供了一种有前景的非接触方法。然而，实现高精度分离仍然具有挑战性，因为不受控制的空化驱动液体运动可能导致邻近细胞的非预期共转移。在本研究中，将海藻酸钠改性技术与阶梯式PDMS微孔阵列相结合，以提高激光诱导细胞分离的选择性。利用高速成
摘要
激光诱导正向转移（LIFT）为单细胞操控提供了一种有前景的非接触方法。然而，实现高精度分离仍然具有挑战性，因为不受控制的空化驱动液体运动可能导致邻近细胞的非预期共转移。在本研究中，将海藻酸钠改性技术与阶梯式PDMS微孔阵列相结合，以提高激光诱导细胞分离的选择性。利用高速成像、流变学表征和数值模拟来研究空化驱动的液体转移、微孔约束和细胞输运。海藻酸钠改性增加了悬浮液的表观粘度和流动阻力，从而限制了空化引起的扰动的横向传播。微孔阵列进一步将液膜划分为局部微域，限制了细胞的横向迁移，并减少了相邻细胞之间的流体动力学耦合。未改性悬浮液、海藻酸钠改性悬浮液和微孔辅助配置的单细胞分离率分别为7.8 ± 5.8%、15.8 ± 11.8%和41.8 ± 11.8%。培养24小时后，细胞活力分别为84.6 ± 3.5%、80.3 ± 3.8%和77.9 ± 3.8%，海藻酸钠改性组和微孔辅助组之间无显著差异。这些结果表明，将流体性质调控与微观空间约束相结合，可以在保持可接受的转移后细胞活力的同时，提高单细胞分离的选择性。
引言
个体细胞间的异质性是生命系统中结构和功能复杂性的主要来源。传统的群体水平分析可以揭示整体生物学趋势，但往往掩盖了单细胞水平的功能差异和响应特征[1]。随着单细胞多组学、微操作和体内成像技术的快速发展，单细胞研究已成为理解疾病机制和组织发育的重要途径[2]、[3]、[4]。因此，可靠的细胞分离对于保持目标细胞的结构完整性、功能性和活力至关重要。开发高精度、非接触、无标签和低损伤的细胞分离技术仍然是生物制造和细胞分析中的关键挑战。
当前的细胞分离技术大致可分为流体方法和能量场方法。流体方法包括限制稀释、荧光激活细胞分选（FACS）和微流控芯片，而能量场方法则利用电、磁、光或声场。限制稀释简单且成本低廉，但细胞分配遵循泊松统计规律，使得单克隆性具有概率性，通常需要进行重复克隆或基于成像的验证[5]。FACS可提供高通量和多参数分选，但通常需要荧光标记，且在液滴分选过程中产生的压力和剪切力可能引起分选相关的细胞应激，影响分选后的细胞活力或功能[6]。微流控芯片在层流条件下可提供精确的流体控制，并可实现无标签分选；然而，其性能通常依赖于细胞群体之间足够不同的物理性质，并且通道堵塞或阻塞仍然是一个实际限制[7]。相比之下，基于激光的分离技术提供了非接触操作、无喷嘴转移、高空间分辨率和可调能量输入，为单细胞分离提供了一条潜在途径。
激光诱导正向转移（LIFT）是一种典型的非接触材料转移技术。在此过程中，脉冲激光照射供体层（通常是吸收膜或液层），产生局部空化气泡或高压气体，将材料射向接收基底。自从Bohandy等人[8]于1986年首次展示使用193 nm准分子激光转移铜微结构以来，LIFT已从金属薄膜扩展到各种微尺度材料转移应用。
Wu等人[9]首次将LIFT引入液体转移，获得了直径约10 μm的液滴。Duocastella等人[10]、[11]使用水-甘油-SDS混合物研究了激光能量密度和工作距离对液滴大小和形貌的影响，揭示了激光参数、界面张力和粘度的综合影响。Young等人[12]使用高速成像可视化了空化气泡的形成、膨胀和崩溃，而Tan等人[13]表明当激光能量略超过烧蚀阈值时可实现最佳沉积。这些研究确立了LIFT用于精确转移小体积液体的可行性。随后，LIFT被扩展到聚合物[14]、生物材料[15]和活细胞[16]。
LIFT在细胞操控领域的应用进一步扩大了其研究范围。Barron等人[17]使用248 nm准分子激光将人骨肉瘤细胞从供体层转移到水凝胶接收体，培养后活力接近100%。Brown等人[18]使用CFD-ACE+模拟了薄膜变形和射流形成，并提出了基于动量守恒和界面变形的方程。Chen等人[19]使用空间光调制器产生平顶光束和涡旋光束，进行精确的单细胞分离和培养，平顶光束将沉积斑点减小到几乎50 μm。Cheng等人[20]将LIFT与高通量微流控芯片集成，用于自动单细胞分选，实现了稀有目标细胞的高效回收，活力超过80%。Xu等人[21]开发了一个LIFT辅助的微滤平台，从全血中分离循环肿瘤细胞，同时保持高细胞存活率。这些研究阐明了激光能量沉积、热膨胀、流体运动和界面变形在液相LIFT中的作用，同时也表明激光驱动与结构约束相结合可以改善选择性单细胞分离。
尽管具有这些优势，通过LIFT实现可靠的高精度单细胞分离仍然具有挑战性。在低粘度介质中，细胞具有较长的自由路径，在激光诱导喷射过程中邻近细胞容易共转移[22]。增加悬浮液粘度可以减少细胞共迁移，如Deng等人[23]所示，但高粘度可能导致渗透压失衡或离子交换。Gudapati等人[24]向细胞悬浮液中添加海藻酸盐以缩短细胞的自由路径并提高选择性，尽管海藻酸盐对细胞内钙离子的螯合导致部分细胞死亡。Kingsley等人[25]尝试在水凝胶微珠中分离细胞，但激光光斑大小的变化导致微珠直径不一致，降低了均匀性。Iino等人[26]将微孔阵列与LIFT相结合，用于空化辅助细胞捕获，但毫米级孔径限制了单细胞分辨率。拉曼光谱辅助LIFT也被探索用于提高选择性[27]，但拉曼采集时间与纳秒激光脉冲之间的不匹配限制了通量。因此，现有方法仍然缺乏一种集成策略，能够同时提高分离精度并保持液体悬浮系统中的细胞活力。
海藻酸钠是一种生物相容性良好的介质，因其可调的流变性能和离子交联能力而被广泛用于生物打印和微流控系统。Datta[28]综述了基于海藻酸盐的生物墨水，指出其粘度和弹性模量可以通过改变浓度和交联剂含量来调节。Wang等人[29]总结了海藻酸钠水凝胶的结构-力学关系，强调了流变和剪切恢复性能对能量传输和细胞活力的影响。Zhang等人[30]、[31]研究了海藻酸盐溶液的喷射动力学，确定了液滴转移、单射流破碎和多射流破碎模式，表明激光辐照度和溶液粘度共同影响喷射行为。此外，Bukit等人[32]综述了用于3D打印的基于海藻酸盐的复合材料，突出了其结构设计灵活性和成型稳定性。这些研究表明，海藻酸钠的流变性能可以调节液相LIFT期间的能量耗散和动量转移。
基于这些考虑，本研究提出了一种双重调节策略，以提高激光诱导细胞分离的精度和可控性。将海藻酸钠引入细胞悬浮液中，增加表观粘度和粘性阻力，从而限制细胞的自由运动并减少不希望的共迁移。同时，设计了一种孔径和间距可调的PDMS微孔阵列芯片，对悬浮细胞进行空间约束，实现被动预分离。高速显微成像和多物理场模拟被用于研究激光辐照度、海藻酸钠浓度和微孔几何形状如何影响射流形成、空化动力学和细胞输运。目标是建立一个可调的高精度LIFT细胞分离框架，并为单细胞操控、生物打印和微流控分选提供指导。
章节摘要
实验原理与设置
激光诱导细胞分离的原理基于脉冲激光能量产生的局部空化。如图1所示，当激光聚焦于源基底的牺牲层时，该层迅速吸收激光能量并发生光热转换，形成局部高温高压区域。周围液体随后汽化并形成空化气泡。在气泡膨胀和崩溃期间，瞬态压力波和
模拟结果与分析
在LIFT过程中，空化气泡经历成核、膨胀和崩溃，其瞬态振荡为液体喷射提供驱动力。对于单细胞分离，关键问题不仅是射流生成，还有射流引起的扰动能否被约束以防止邻近细胞被共转移。因此，在第2.3节所述的有效粘度近似下，本节重点研究微孔约束如何调节气泡引起的
结论
激光诱导细胞分离受悬浮液流动阻力和基底施加的微观约束的双重控制。在本研究中，将海藻酸钠改性技术与阶梯式PDMS微孔阵列相结合，以调节LIFT过程中的液体输运和细胞运动。流变学表征确认，海藻酸钠溶液表现出明显的剪切变稀行为。降阶水力分析得出了特征出口尺度的
CRediT作者贡献声明
何俊峰：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿，方法学，概念化。 闵文杰：写作 – 原稿，调查。 邹智祥：写作 – 审稿与编辑，监督，资源，调查。 王文兵：写作 – 审稿与编辑，监督，方法学。
资金支持
本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文所报告的工作。
致谢
作者衷心感谢广东工业大学提供本研究使用的实验设备和设施。
何俊峰|闵文杰|邹智祥|王文兵
