流量和颗粒大小不受影响的粘弹性三维无鞘聚焦技术：一项旨在深入理解的机理研究

《Biosensors and Bioelectronics》：Flow Rate- and Particle Size-Insensitive Viscoelastic 3D Sheathless Focusing: A Mechanistic Study for Refined Understanding

三维无鞘粘弹性微流控技术实现高效稳定细胞聚焦与分选，理论建模揭示聚乙烯醇浓度与流速对粒子迁移速度和聚焦效率的定量影响，实验验证显示0.15% PEO溶液下10/15/20 μm微球及A549/MCF-7肿瘤细胞均能达到<2.37 μm偏差和>94.25%聚焦效率，突破传统方法对流速和尺寸的敏感性限制。

　　

卢青|赵卓然|张志楠|丁翔婷

上海交通大学机械工程学院，中国上海200240

摘要

三维（3D）细胞聚焦是实现精确微流控细胞操控和检测的关键前提。尽管取得了显著进展，但能够实现流量和粒径无关的3D无鞘聚焦的装置仍然很少。为了解决这一挑战，我们提出了一种直通道粘弹性微流控（VEM）技术，并通过理论建模系统研究了微粒动力学。定量表征了聚环氧乙烷（PEO）浓度和流量与粒子聚焦能力和迁移速度之间的相关性，阐明了粘弹性3D聚焦的机制。使用10 μm和15 μm聚苯乙烯微球（PSMSs）进行的实验验证表明，实际聚焦位置与理论预测一致。在0.15% PEO条件下，当流量为0.3 mL?h^-1至3 mL?h^-1时，实现了可靠的3D聚焦，位置偏差低于1.39 μm，效率超过94.04%。混合粒子的实验（10/15/20 μm）进一步证实了能够同时聚焦多种大小的粒子，偏差低于2.37 μm，效率超过94.70%。最后，使用A549和MCF-7肿瘤细胞的测试也证实了在同一流量范围内有效的3D聚焦，聚焦效率高于94.25%。本研究介绍了一种粘弹性直通道3D聚焦技术，并通过理论建模提供了对聚焦机制的深入见解。该方法克服了传统方法的局限性，后者通常由于对流量和粒径的敏感性而效率低下、稳定性差，并在细胞分选和单细胞分析中展现出巨大潜力。

引言

三维（3D）粒子聚焦是先进微流控应用（如单细胞分析和细胞分离）的基本前提（Hu等人，2018；Xie和Ding，2022）。例如，流式细胞术是临床诊断和基础生物学研究中的重要工具（Chen等人，2025；Haddad等人，2023），它能够基于荧光信号（Wu等人，2023a）、光学成像（Ugawa和Ota，2022）和阻抗变化（Zhou等人，2023）在单细胞水平上精确量化生物分子表达，从而有助于表征大规模细胞群体的异质性。然而，这种能力严重依赖于快速、可靠且稳定的3D细胞聚焦，以确保细胞按固定横截面位置顺序通过检测区域（Wu等人，2023a）。对于细胞分离技术，细胞通常被预先对准到微通道的同一横向位置，并根据它们的横向迁移速度或位移进行分离（Lu等人，2025；Mach，2010），这些速度和位移由细胞的独特物理性质决定，如大小（Jiang和Xiang，2022；Zheng等人，2024）、可压缩性（Liao等人，2021；Xue等人，2023）和折射率（Chen等人，2022；Hu等人，2019）。由于细胞的固有异质性和生物样本的复杂性，通常需要将不同大小的细胞稳定地聚焦到微通道内的同一位置（Ni等人，2022）。此外，考虑到下游分离模块的性能要求，细胞聚焦需要在广泛的流量范围内有效工作，以提高与分离模块的兼容性。总之，在微流控系统中实现流量和粒径无关的3D聚焦具有重要的实际价值。

近年来，随着流式细胞术和生物粒子分离技术的进步，粒子聚焦技术受到了越来越多的关注。根据工作原理，聚焦技术大致可以分为两类：主动式和被动式（Yan和Yuan，2021）。主动式方法依赖于外部输入，如声场或鞘流（Li等人，2015；Wang等人，2018；Wu等人，2023b），具有响应迅速、聚焦位置可调和高操作稳定性等优点（Ni等人，2022）。然而，外部场的集成显著增加了系统的复杂性和制造成本（Kung等人，2021），并且可能损害生物粒子的活力或功能性（Meng等人，2023），从而影响下游生物分析过程。相比之下，被动式聚焦策略设计简单，制造过程方便。通常，微流控芯片上会制作螺旋形或蛇形通道（Gao等人，2023；Ni等人，2022；Wei等人，2019），这些通道可以使用标准软光刻技术轻松制造。在这些通道中，惯性升力和迪恩阻力作用于粒子或细胞（Abdulla等人，2020；Shen等人，2024），逐渐将它们驱动到聚焦流线上。尽管有这些优势，被动式方法通常对流量或粒径非常敏感（Ni等人，2022；Ozbey等人，2016），即使聚焦单一类型的具有内在异质性的细胞，也会导致多个聚焦位置和轨迹偏差（Carlo等人，2007；Zhang等人，2020）。对于混合粒子悬浮液，无法在广泛的流量范围内稳健地聚焦不同大小的粒子，显著降低了下游细胞分选的效率和兼容性。此外，大多数现有方法仅限于二维（2D）聚焦（Mukherjee等人，2019；Zhang等人，2016），即粒子被限制在一个平面上，而不是在三维空间中沿单一流线排列。此外，由于缺乏对粒子聚焦物理机制的深入了解，难以优化关键的结构设计参数。例如，使用过长的通道来确保稳定聚焦对将聚焦装置与其他系统的集成带来了重大挑战（Dannhauser等人，2025；Dannhauser等人，2020；Romeo等人，2013）。

在这里，我们介绍了一种直通道粘弹性微流控（VEM）技术，能够实现流量和粒径无关的3D无鞘聚焦，适用于不同直径的粒子。通过理论建模，定量表征了聚环氧乙烷（PEO）浓度和流量与粒子聚焦能力和迁移速度之间的相关性，从而阐明了粘弹性3D聚焦的机制。所提出的方法克服了传统方法的局限性，后者通常由于对流量和粒径的敏感性而效率低下、稳定性差，并在细胞分选和单细胞分析中展现出巨大潜力。

部分摘录

工作原理

图1展示了VEM的结构以及直通道内的粒子聚焦过程。简而言之，芯片主要由入口、出口和一个横截面为正方形的直通道段组成，该直通道段的高度h和宽度w均为50 μm，确保粒子在两个方向上呈现对称轨迹，从而实现最终的3D聚焦。使用注射泵将混合粒子溶液注入VEM中，粒子

结论

在这项工作中，我们提出了一种对流量和粒径都不敏感的粘弹性3D聚焦技术。我们通过理论建模量化了PEO浓度和流量对粒子聚焦能力和迁移速度的影响，从而阐明了粘弹性3D聚焦的潜在机制。当载体流体的PEO浓度设置为0.15%时，可以实现10 μm、15 μm和20 μm直径的PSMSs的稳健且同时的3D聚焦

CRediT作者贡献声明

张志楠：撰写 – 审稿与编辑、验证、资金获取。丁翔婷：撰写 – 审稿与编辑、验证、资金获取。赵卓然：撰写 – 审稿与编辑、研究。卢青：撰写 – 原始草稿、软件、方法学、研究、数据管理、概念化

未引用参考文献

Mach和Dino，2010。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金项目（82361148715、82227801）、中国国家重点研发计划（2024YFA1307600）、上海市教委项目（2024AIZD006）、上海市科技项目（22490713900、21Y31900402）以及上海交通大学生物医学交叉项目（YG2024ZD10）的支持。感谢AEMD 上海交通大学和上海交通大学实验动物中心的支持。