探索無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離新技術(shù)：主動(dòng)與被動(dòng)分選策略的深度剖析

探索無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離新技術(shù)：主動(dòng)與被動(dòng)分選策略的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義細(xì)胞分選作為生命科學(xué)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在細(xì)胞生物學(xué)、腫瘤學(xué)、免疫學(xué)以及神經(jīng)科學(xué)等眾多學(xué)科的研究中都有著舉足輕重的地位。在細(xì)胞生物學(xué)中，通過(guò)細(xì)胞分選能夠獲取特定類(lèi)型的細(xì)胞，從而深入探究細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化、代謝等基本生命過(guò)程；腫瘤學(xué)研究里，精準(zhǔn)分選腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞，有助于揭示腫瘤的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，為癌癥的早期診斷和個(gè)性化治療提供關(guān)鍵依據(jù)；免疫學(xué)研究依賴(lài)細(xì)胞分選技術(shù)分離不同類(lèi)型的免疫細(xì)胞，以此剖析免疫反應(yīng)的本質(zhì)，推動(dòng)免疫治療的發(fā)展；神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域則借助細(xì)胞分選獲取特定的神經(jīng)元細(xì)胞，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和功能展開(kāi)研究。傳統(tǒng)的細(xì)胞分選技術(shù)大多依賴(lài)熒光標(biāo)記或磁性標(biāo)記，然而，這些標(biāo)記物可能會(huì)對(duì)細(xì)胞的生理功能和活性產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差。比如，熒光標(biāo)記可能改變細(xì)胞的光學(xué)性質(zhì)，影響對(duì)細(xì)胞內(nèi)分子的檢測(cè)；磁性標(biāo)記可能影響細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)，干擾細(xì)胞的正常運(yùn)動(dòng)和相互作用。無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它巧妙地避開(kāi)了標(biāo)記過(guò)程對(duì)細(xì)胞的潛在影響，能夠獲取更接近生理狀態(tài)的細(xì)胞，為生命科學(xué)研究提供了更為可靠的樣本。在無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)中，主動(dòng)分選技術(shù)和被動(dòng)分選技術(shù)展現(xiàn)出了獨(dú)特的研究?jī)r(jià)值。主動(dòng)分選技術(shù)能夠依據(jù)細(xì)胞的多種特性，如電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等性質(zhì)，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行精確操控和分選，具有分選精度高、特異性強(qiáng)的顯著優(yōu)勢(shì)。而被動(dòng)分選技術(shù)則憑借細(xì)胞自身的物理性質(zhì)，如大小、形狀、密度等，在微流控芯片等裝置中實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的自然分離，具有操作簡(jiǎn)便、成本較低、對(duì)細(xì)胞損傷小的特點(diǎn)。對(duì)這兩種技術(shù)展開(kāi)深入研究，不僅能夠豐富無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)的理論體系，還能為其在生物醫(yī)學(xué)、藥物研發(fā)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。1.2研究目的與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在深入剖析基于主動(dòng)和被動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)，系統(tǒng)地探究這兩種技術(shù)的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)以及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況。通過(guò)對(duì)技術(shù)原理的深度挖掘，揭示主動(dòng)分選技術(shù)如何利用細(xì)胞的電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等特性實(shí)現(xiàn)精確操控，以及被動(dòng)分選技術(shù)怎樣依據(jù)細(xì)胞的大小、形狀、密度等物理性質(zhì)完成自然分離，從而為技術(shù)的優(yōu)化和改進(jìn)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在技術(shù)特點(diǎn)方面，全面分析主動(dòng)分選技術(shù)的高精度、高特異性以及被動(dòng)分選技術(shù)的操作簡(jiǎn)便、成本低、細(xì)胞損傷小等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也關(guān)注它們各自存在的局限性，為實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)選擇提供科學(xué)依據(jù)。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，詳細(xì)研究這兩種技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、藥物研發(fā)等領(lǐng)域的具體應(yīng)用案例，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)和存在的問(wèn)題，為進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍提供參考。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在技術(shù)分析維度上，打破以往單一的研究視角，從多維度對(duì)主動(dòng)和被動(dòng)分選技術(shù)進(jìn)行綜合分析。不僅深入研究技術(shù)本身的原理和特點(diǎn)，還從細(xì)胞生物學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科角度探討技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和潛在影響，為無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)的研究提供了全新的思路和方法。在應(yīng)用案例研究方面，廣泛收集和分析來(lái)自生物醫(yī)學(xué)、藥物研發(fā)、生物工程等多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用案例，全面總結(jié)技術(shù)在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用效果和面臨的挑戰(zhàn)，為技術(shù)的跨領(lǐng)域應(yīng)用提供了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論支持。在技術(shù)整合與優(yōu)化方面，嘗試將主動(dòng)分選技術(shù)和被動(dòng)分選技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，探索一種全新的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離方法，以充分發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的不足，為無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟新的方向。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)的研究起步較早，取得了一系列具有影響力的成果。美國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)在主動(dòng)分選技術(shù)方面，利用介電泳技術(shù)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行操控，通過(guò)精確控制電場(chǎng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同電學(xué)性質(zhì)細(xì)胞的高效分選。例如，他們開(kāi)發(fā)的基于介電泳的微流控芯片，能夠在微納尺度下對(duì)細(xì)胞施加精確的電場(chǎng)力，根據(jù)細(xì)胞的介電常數(shù)差異將其分離出來(lái)，該技術(shù)在腫瘤細(xì)胞的分選和檢測(cè)中展現(xiàn)出了極高的靈敏度和特異性，為腫瘤的早期診斷提供了有力的技術(shù)支持。在光學(xué)分選方面，國(guó)外科研人員通過(guò)激光誘導(dǎo)的光鑷技術(shù)，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行非接觸式的操控和分選。利用光鑷產(chǎn)生的微小光學(xué)力，可以精確地捕獲和移動(dòng)單個(gè)細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定細(xì)胞的分離。這種技術(shù)在對(duì)細(xì)胞活性要求較高的研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如干細(xì)胞的分選和培養(yǎng)，能夠最大程度地減少對(duì)細(xì)胞的損傷，保持細(xì)胞的原始特性。在被動(dòng)分選技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)外研究人員在微流控芯片的設(shè)計(jì)和應(yīng)用上取得了顯著進(jìn)展。通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)微流控芯片的通道結(jié)構(gòu)和流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，利用慣性微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同大小和形狀細(xì)胞的高效分離。例如，設(shè)計(jì)的螺旋形微流控芯片，能夠利用細(xì)胞在螺旋通道中受到的慣性力和Dean力的差異，將不同尺寸的細(xì)胞自然地分離開(kāi)來(lái)，該技術(shù)具有高通量、低成本的特點(diǎn)，在血液細(xì)胞分析、微生物檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)的研究近年來(lái)也發(fā)展迅速?？蒲腥藛T在主動(dòng)分選技術(shù)方面，結(jié)合聲學(xué)和電學(xué)技術(shù)，提出了一種新型的細(xì)胞分選方法。通過(guò)在微流控芯片中引入超聲駐波場(chǎng)和電場(chǎng)，利用細(xì)胞在兩種場(chǎng)中的不同響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞的多參數(shù)分選。這種方法不僅提高了分選的精度和效率，還能夠?qū)?xì)胞的多種物理性質(zhì)進(jìn)行綜合分析，為細(xì)胞生物學(xué)研究提供了新的手段。在被動(dòng)分選技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)微流控芯片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料創(chuàng)新，提高了細(xì)胞分選的性能。例如，采用新型的納米材料制備微流控芯片，利用納米材料的特殊表面性質(zhì)和物理特性，增強(qiáng)了芯片對(duì)細(xì)胞的捕獲和分離能力。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化芯片的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如采用魚(yú)骨狀微結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了細(xì)胞分選的效率和準(zhǔn)確性，該技術(shù)在循環(huán)腫瘤細(xì)胞的捕獲和分析中取得了良好的效果，為腫瘤的臨床診斷和治療提供了重要的技術(shù)支持。國(guó)內(nèi)外在無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)的研究上都取得了豐碩的成果，但仍存在一些亟待解決的問(wèn)題。主動(dòng)分選技術(shù)在提高分選精度和特異性的同時(shí)，如何降低設(shè)備成本和操作復(fù)雜性，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用；被動(dòng)分選技術(shù)在提高分選效率和通量的同時(shí)，如何進(jìn)一步提高分選的準(zhǔn)確性和對(duì)復(fù)雜樣本的適應(yīng)性，都是未來(lái)研究需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。二、無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)概述2.1細(xì)胞分選技術(shù)的重要性細(xì)胞分選技術(shù)在生命科學(xué)研究領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位，是推動(dòng)眾多學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵力量。在疾病診斷方面，精準(zhǔn)的細(xì)胞分選能夠?yàn)榧膊〉脑缙谠\斷和病情監(jiān)測(cè)提供重要依據(jù)。以癌癥診斷為例，循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）的檢測(cè)對(duì)于癌癥的早期發(fā)現(xiàn)和轉(zhuǎn)移監(jiān)測(cè)具有重要意義。由于CTCs在血液中的含量極低，每毫升血液中可能僅有幾個(gè)到幾十個(gè)，因此需要高效的細(xì)胞分選技術(shù)將其從大量的血細(xì)胞中分離出來(lái)。通過(guò)對(duì)CTCs的分析，可以了解腫瘤的生物學(xué)特性、轉(zhuǎn)移潛能以及對(duì)治療的反應(yīng)，為癌癥的早期診斷和個(gè)性化治療提供關(guān)鍵信息。在神經(jīng)退行性疾病的診斷中，細(xì)胞分選技術(shù)可以用于分離和分析病變的神經(jīng)元細(xì)胞，幫助研究人員了解疾病的發(fā)病機(jī)制，開(kāi)發(fā)早期診斷的生物標(biāo)志物。在阿爾茨海默病的研究中，通過(guò)分選大腦組織中的神經(jīng)元細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞，研究人員發(fā)現(xiàn)了與疾病相關(guān)的異常蛋白表達(dá)和細(xì)胞信號(hào)通路的改變，為疾病的早期診斷和治療提供了新的靶點(diǎn)。在藥物研發(fā)領(lǐng)域，細(xì)胞分選技術(shù)是篩選和評(píng)估藥物療效的重要手段。通過(guò)分選特定類(lèi)型的細(xì)胞，研究人員可以研究藥物對(duì)目標(biāo)細(xì)胞的作用機(jī)制和療效，從而篩選出具有潛力的候選藥物。在抗癌藥物的研發(fā)中，利用細(xì)胞分選技術(shù)分離腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞，研究藥物對(duì)腫瘤細(xì)胞的抑制作用和對(duì)正常細(xì)胞的毒性，能夠加速藥物的研發(fā)進(jìn)程，提高研發(fā)效率。細(xì)胞分選技術(shù)還可以用于藥物毒性測(cè)試和藥物耐藥性研究。通過(guò)分選不同類(lèi)型的細(xì)胞，研究人員可以評(píng)估藥物對(duì)不同細(xì)胞類(lèi)型的毒性，預(yù)測(cè)藥物在體內(nèi)的不良反應(yīng)。在藥物耐藥性研究中，分選耐藥細(xì)胞和敏感細(xì)胞，研究其基因表達(dá)和蛋白質(zhì)組學(xué)的差異，有助于揭示藥物耐藥的機(jī)制，開(kāi)發(fā)克服耐藥性的新策略。在細(xì)胞治療領(lǐng)域，細(xì)胞分選技術(shù)是獲取高質(zhì)量治療細(xì)胞的關(guān)鍵。在干細(xì)胞治療中，需要分選和純化特定類(lèi)型的干細(xì)胞，以確保治療的安全性和有效性。通過(guò)細(xì)胞分選技術(shù)，可以從骨髓、脂肪等組織中分離出間充質(zhì)干細(xì)胞，用于治療多種疾病，如骨關(guān)節(jié)炎、心血管疾病等。在免疫細(xì)胞治療中，分選和激活特定的免疫細(xì)胞，如T細(xì)胞、NK細(xì)胞等，可以增強(qiáng)機(jī)體的免疫功能，用于治療癌癥和自身免疫性疾病。2.2無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)與傳統(tǒng)的有標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)相比，具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)，在生命科學(xué)研究和臨床應(yīng)用中展現(xiàn)出獨(dú)特的價(jià)值。無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)能夠有效避免標(biāo)記物對(duì)細(xì)胞生理功能和活性的干擾，最大程度地維持細(xì)胞的原始狀態(tài)。在傳統(tǒng)的有標(biāo)記細(xì)胞分選技術(shù)中，熒光標(biāo)記或磁性標(biāo)記等操作可能會(huì)對(duì)細(xì)胞的代謝、基因表達(dá)和信號(hào)傳導(dǎo)等過(guò)程產(chǎn)生影響。熒光標(biāo)記物可能會(huì)改變細(xì)胞的光學(xué)性質(zhì)，干擾細(xì)胞內(nèi)分子的檢測(cè)；磁性標(biāo)記則可能影響細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)，干擾細(xì)胞的正常運(yùn)動(dòng)和相互作用。而無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)則巧妙地避開(kāi)了這些問(wèn)題，通過(guò)利用細(xì)胞自身的物理性質(zhì)或與周?chē)h(huán)境的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的分選，從而獲取更接近生理狀態(tài)的細(xì)胞樣本，為后續(xù)的研究提供了更可靠的基礎(chǔ)。在干細(xì)胞研究中，無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)能夠避免標(biāo)記物對(duì)干細(xì)胞干性和分化潛能的影響，確保分離得到的干細(xì)胞具有完整的生物學(xué)特性，為干細(xì)胞治療和再生醫(yī)學(xué)研究提供了更優(yōu)質(zhì)的細(xì)胞資源。無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)的操作相對(duì)簡(jiǎn)便，成本較低。傳統(tǒng)的有標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)通常需要使用昂貴的熒光標(biāo)記試劑、磁性微珠等，并且操作過(guò)程較為復(fù)雜，需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員和設(shè)備。而無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)則不需要進(jìn)行繁瑣的標(biāo)記步驟，只需利用細(xì)胞的固有特性，如大小、形狀、密度、電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、聲學(xué)性質(zhì)等，通過(guò)簡(jiǎn)單的物理或化學(xué)方法即可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的分選。這種技術(shù)操作簡(jiǎn)單，易于掌握，同時(shí)也降低了實(shí)驗(yàn)成本，提高了實(shí)驗(yàn)效率。在一些資源有限的實(shí)驗(yàn)室或臨床環(huán)境中，無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)尤為明顯，能夠?yàn)楦嗟难芯亢蛻?yīng)用提供支持。無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)對(duì)細(xì)胞的損傷較小，能夠提高細(xì)胞的存活率和功能完整性。在傳統(tǒng)的有標(biāo)記細(xì)胞分離過(guò)程中，標(biāo)記物的引入以及后續(xù)的分離操作可能會(huì)對(duì)細(xì)胞造成物理或化學(xué)損傷，導(dǎo)致細(xì)胞存活率降低和功能受損。而無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)采用的是非侵入性的分選方法，如基于微流控芯片的慣性微流控技術(shù)、介電泳技術(shù)等，能夠在溫和的條件下實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的分選，減少對(duì)細(xì)胞的損傷。在細(xì)胞治療領(lǐng)域，高存活率和功能完整的細(xì)胞對(duì)于治療效果至關(guān)重要，無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)能夠滿足這一需求，為細(xì)胞治療的成功實(shí)施提供保障。無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)還具有通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于多種類(lèi)型細(xì)胞的分選。由于不同類(lèi)型的細(xì)胞在物理性質(zhì)和生物學(xué)特性上存在差異，無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)可以根據(jù)這些差異，通過(guò)調(diào)整分選參數(shù)和方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同細(xì)胞的有效分選。無(wú)論是腫瘤細(xì)胞、免疫細(xì)胞、干細(xì)胞還是其他類(lèi)型的細(xì)胞，都可以利用無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)進(jìn)行分離和分析，為生命科學(xué)研究的多個(gè)領(lǐng)域提供了有力的技術(shù)支持。2.3主動(dòng)分選與被動(dòng)分選的概念界定在無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)的研究領(lǐng)域中，主動(dòng)分選技術(shù)和被動(dòng)分選技術(shù)是兩種重要的技術(shù)手段，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的過(guò)程中展現(xiàn)出了不同的工作方式和特點(diǎn)。主動(dòng)分選技術(shù)是指在細(xì)胞分選過(guò)程中，借助外部施加的物理場(chǎng)，如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、光場(chǎng)等，對(duì)細(xì)胞施加特定的作用力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)細(xì)胞的精準(zhǔn)操控和分離。這種技術(shù)能夠根據(jù)細(xì)胞的電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等特性，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行有針對(duì)性的分選，具有較高的分選精度和特異性。在介電泳細(xì)胞分選技術(shù)中，通過(guò)在微流控芯片的微電極陣列上施加交變電場(chǎng)，細(xì)胞會(huì)受到與自身介電性質(zhì)相關(guān)的介電泳力作用。不同類(lèi)型的細(xì)胞由于其介電常數(shù)、電導(dǎo)率等電學(xué)性質(zhì)的差異，在電場(chǎng)中所受到的介電泳力大小和方向也各不相同，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同細(xì)胞的分離。這種技術(shù)能夠精確地控制細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)軌跡，將目標(biāo)細(xì)胞從復(fù)雜的細(xì)胞群體中分離出來(lái)，在腫瘤細(xì)胞檢測(cè)、干細(xì)胞分選等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。被動(dòng)分選技術(shù)則是基于細(xì)胞自身所固有的物理性質(zhì)，如大小、形狀、密度、可變形性等，在特定的微流控芯片或其他分選裝置中，利用流體動(dòng)力學(xué)、慣性力、擴(kuò)散力等物理原理，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在流道內(nèi)的自然位置分異，從而達(dá)到細(xì)胞分選的目的。這種技術(shù)不需要外部施加額外的物理場(chǎng)，僅依靠芯片自身的物理結(jié)構(gòu)或者流道中細(xì)胞之間的相互作用產(chǎn)生的流體動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)分選，具有操作簡(jiǎn)便、成本較低、對(duì)細(xì)胞損傷小等優(yōu)點(diǎn)。在慣性微流控細(xì)胞分選技術(shù)中，利用細(xì)胞在微流道中高速流動(dòng)時(shí)受到的慣性力和Dean力的作用。不同大小和形狀的細(xì)胞在微流道中的受力情況不同，導(dǎo)致它們?cè)诹鞯乐械倪\(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生差異，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的分離。這種技術(shù)能夠在高通量的情況下實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的快速分選，在血液細(xì)胞分析、微生物檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。三、主動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)3.1技術(shù)原理與分類(lèi)主動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)作為細(xì)胞分選領(lǐng)域的前沿技術(shù)，憑借其高精度、高特異性的特點(diǎn)，在生命科學(xué)研究和臨床應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。這類(lèi)技術(shù)主要通過(guò)借助外部施加的物理場(chǎng)，如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、光場(chǎng)等，對(duì)細(xì)胞施加特定的作用力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)細(xì)胞的精準(zhǔn)操控和分離。根據(jù)所利用的物理場(chǎng)和作用機(jī)制的不同，主動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)可細(xì)分為多種類(lèi)型，每種類(lèi)型都有其獨(dú)特的技術(shù)原理和優(yōu)勢(shì)，適用于不同的細(xì)胞分選需求。3.1.1基于微流控沖擊打印的技術(shù)原理基于微流控沖擊打印的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)，是一種融合了微流控技術(shù)、實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)以及沖擊打印技術(shù)的創(chuàng)新型單細(xì)胞分選方法。該技術(shù)的核心在于通過(guò)對(duì)細(xì)胞懸浮液在微流控通道中的精確操控，結(jié)合實(shí)時(shí)圖像處理實(shí)現(xiàn)對(duì)單細(xì)胞的高效識(shí)別和分選，最終利用沖擊打印將單細(xì)胞封裝在單個(gè)液滴中，形成單細(xì)胞液滴陣列。在具體的工作流程中，首先，細(xì)胞懸浮液在壓力泵的穩(wěn)定推動(dòng)下，從微流控通道的入口緩緩流入，平穩(wěn)地向出口流動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，高速相機(jī)以極高的幀率實(shí)時(shí)捕捉采集檢測(cè)區(qū)域的圖像，將細(xì)胞的形態(tài)和位置信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號(hào)。這些圖像信號(hào)被迅速傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)利用專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的圖像處理算法對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。該算法能夠?qū)D像進(jìn)行背景提取，去除無(wú)關(guān)的背景噪聲，使細(xì)胞的輪廓更加清晰；通過(guò)高斯去噪進(jìn)一步優(yōu)化圖像質(zhì)量，提高細(xì)胞識(shí)別的準(zhǔn)確性；采用閾值分割等方法，精準(zhǔn)地識(shí)別出單個(gè)細(xì)胞，并計(jì)算出其在二維平面上的精確位置。當(dāng)計(jì)算機(jī)識(shí)別到目標(biāo)單細(xì)胞后，會(huì)立即向信號(hào)控制模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。信號(hào)控制模塊接收到信號(hào)后，迅速觸發(fā)壓電致動(dòng)器。壓電致動(dòng)器在電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊力，撞擊打印室上的柔性薄膜。這種撞擊力使得薄膜發(fā)生瞬間的形變，進(jìn)而從噴嘴處產(chǎn)生一個(gè)包含單個(gè)細(xì)胞的液滴。同時(shí)，位移臺(tái)按照預(yù)設(shè)的程序運(yùn)動(dòng)，精確地控制液滴的落點(diǎn)，將單細(xì)胞液滴有序地排列在基底上，形成單細(xì)胞液滴陣列。此技術(shù)的關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)圖像處理和微流控沖擊打印的協(xié)同工作。實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確地識(shí)別單細(xì)胞，為后續(xù)的沖擊打印提供精確的目標(biāo)定位。而微流控沖擊打印技術(shù)則能夠在極短的時(shí)間內(nèi)將單細(xì)胞封裝在液滴中，實(shí)現(xiàn)高效的單細(xì)胞分離。這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，它采用圖像處理方法代替了傳統(tǒng)的熒光標(biāo)記來(lái)識(shí)別細(xì)胞，極大地簡(jiǎn)化了樣品制備過(guò)程，避免了熒光標(biāo)記對(duì)細(xì)胞功能和活力的潛在損害。利用相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝和圖像處理實(shí)時(shí)計(jì)算細(xì)胞的二維位置，使得檢測(cè)精度大幅提高，能夠確保單細(xì)胞封裝的高效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該技術(shù)具有高達(dá)95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細(xì)胞捕獲效率，并且可以在2Hz的通量下穩(wěn)定地產(chǎn)生單細(xì)胞液滴陣列，細(xì)胞存活率更是高達(dá)96.6%。這些優(yōu)異的性能指標(biāo)使得基于微流控沖擊打印的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)在單細(xì)胞組學(xué)、組織工程和細(xì)胞系開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。3.1.2基于激光精準(zhǔn)分選的技術(shù)原理基于激光精準(zhǔn)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)，是一種利用激光與特殊介質(zhì)相互作用實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞精準(zhǔn)分離的先進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)的核心原理是通過(guò)巧妙地利用激光的能量和特殊介質(zhì)的物理特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)細(xì)胞的非接觸式、高精度分選。在工作過(guò)程中，首先將待分選的細(xì)胞樣本均勻地分布在含有特殊介質(zhì)的分選芯片上。這種特殊介質(zhì)通常具有對(duì)激光能量的敏感特性，能夠在激光的作用下發(fā)生特定的物理變化。當(dāng)激光束聚焦在分選芯片上時(shí)，激光的能量被特殊介質(zhì)吸收，引發(fā)介質(zhì)的局部快速升溫或相變等物理過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，目標(biāo)細(xì)胞周?chē)奶厥饨橘|(zhì)會(huì)產(chǎn)生瞬間的物理變化，如形成微小的沖擊波或噴射流，這些物理變化產(chǎn)生的作用力會(huì)精確地作用于目標(biāo)細(xì)胞，使其從細(xì)胞群體中被彈射出來(lái)，實(shí)現(xiàn)與其他細(xì)胞的分離。以中科院長(zhǎng)春光機(jī)所李備團(tuán)隊(duì)研發(fā)的單細(xì)胞精準(zhǔn)分選儀為例，該設(shè)備利用激光與特殊介質(zhì)的相互作用，就如同為細(xì)胞安置了飛機(jī)的彈射座椅。當(dāng)通過(guò)顯微成像系統(tǒng)和智能識(shí)別軟件鎖定目標(biāo)細(xì)胞后，操作“彈射座椅”，即發(fā)射激光，激光作用于特殊介質(zhì)，產(chǎn)生的力量將目標(biāo)細(xì)胞從群體中精準(zhǔn)地分離出來(lái)。這種技術(shù)不對(duì)細(xì)胞進(jìn)行任何“修飾”，避免了傳統(tǒng)分選技術(shù)中標(biāo)記物對(duì)細(xì)胞的影響，最大程度地保持了細(xì)胞本來(lái)的狀態(tài)。同時(shí)，該技術(shù)對(duì)不同類(lèi)型、尺寸的細(xì)胞具有良好的普適性，能夠應(yīng)對(duì)各種性狀的復(fù)雜生物樣本，特別適用于微生物單細(xì)胞分選。在分選過(guò)程中，激光只作用于分選芯片的特殊材料上，目標(biāo)細(xì)胞隨材料一起被彈出，這種隔空取物的方式幾乎對(duì)細(xì)胞沒(méi)有損傷，保證了細(xì)胞的高活性和完整性。3.1.3其他主動(dòng)分選技術(shù)原理簡(jiǎn)述除了基于微流控沖擊打印和激光精準(zhǔn)分選的技術(shù)外，還有一些其他的主動(dòng)分選技術(shù)在無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用，其中基于介電泳的技術(shù)是較為典型的一種。基于介電泳的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)，其原理是利用細(xì)胞在非均勻電場(chǎng)中受到的介電泳力來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的操控和分離。當(dāng)細(xì)胞處于非均勻電場(chǎng)中時(shí)，由于細(xì)胞的介電常數(shù)與周?chē)橘|(zhì)的介電常數(shù)存在差異，細(xì)胞會(huì)被極化，表面感生出正負(fù)電荷。這些感生電荷在非均勻電場(chǎng)中會(huì)受到不同大小和方向的電場(chǎng)力作用，從而產(chǎn)生介電泳力。不同類(lèi)型的細(xì)胞由于其介電常數(shù)、電導(dǎo)率等電學(xué)性質(zhì)的不同，在相同的非均勻電場(chǎng)中所受到的介電泳力大小和方向也各不相同。通過(guò)精心設(shè)計(jì)微流控芯片的微電極陣列結(jié)構(gòu)，并施加合適的交變電場(chǎng)參數(shù)，就可以使目標(biāo)細(xì)胞在介電泳力的作用下沿著特定的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與其他細(xì)胞的分離。在基于介電泳的液滴分選實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)在微流控芯片的電極上施加高壓方波脈沖，使液滴在介電泳力的作用下從流阻較小的流道出口轉(zhuǎn)移到流阻較大的流道出口，實(shí)現(xiàn)了液滴的分選。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，電壓幅值和頻率對(duì)分選效果有著顯著的影響，需要選擇合適的電壓幅值和頻率，才能保證液滴的正常分選。這種技術(shù)在細(xì)胞鑒別和分離領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)懸浮細(xì)胞的有效分離。3.2典型案例分析3.2.1中國(guó)科大微流控沖擊打印單細(xì)胞分選案例中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程研究室的李保慶副教授團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于微流控沖擊打印的無(wú)標(biāo)記單細(xì)胞分選技術(shù)，成果發(fā)表在工程技術(shù)領(lǐng)域著名期刊《LabonaChip》，并入選當(dāng)期封面。該研究旨在解決現(xiàn)有單細(xì)胞分離技術(shù)依賴(lài)熒光標(biāo)記和性能低下的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出一種新的單細(xì)胞分離技術(shù)，使用微流控沖擊打印與細(xì)胞二維圖像實(shí)時(shí)識(shí)別技術(shù)，將單細(xì)胞封裝在單個(gè)液滴中。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，單細(xì)胞分離系統(tǒng)由信號(hào)控制模塊、圖像處理模塊、打印模塊三個(gè)模塊組成。細(xì)胞懸浮液在壓力泵的推動(dòng)下從微流控通道入口流動(dòng)到出口，高速相機(jī)實(shí)時(shí)捕捉采集檢測(cè)區(qū)域的圖像，利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以識(shí)別單個(gè)細(xì)胞。具體圖像處理過(guò)程包括背景提取、高斯去噪、閾值分割等，通過(guò)這些處理精確識(shí)別出單個(gè)細(xì)胞，并計(jì)算出其在二維平面上的位置。當(dāng)識(shí)別到目標(biāo)單細(xì)胞后，向信號(hào)控制模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)壓電致動(dòng)器撞擊打印室上的柔性薄膜，從噴嘴處產(chǎn)生一個(gè)包含單個(gè)細(xì)胞的液滴，并結(jié)合位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)形成單細(xì)胞液滴陣列。在結(jié)果分析方面，實(shí)驗(yàn)表明該技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)。在捕獲效率上，有95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細(xì)胞捕獲效率，這意味著該技術(shù)能夠高效地將單個(gè)細(xì)胞從細(xì)胞群體中分離出來(lái)。在通量方面，可以在2Hz的通量下產(chǎn)生單細(xì)胞液滴陣列，滿足了一定的高通量需求。細(xì)胞存活率高達(dá)96.6%，說(shuō)明該技術(shù)對(duì)細(xì)胞的損傷極小，能夠最大程度地保持細(xì)胞的活性。與傳統(tǒng)的流式細(xì)胞分選相比，該方法采用圖像處理方法代替熒光標(biāo)記來(lái)識(shí)別細(xì)胞，簡(jiǎn)化了樣品制備過(guò)程，降低了對(duì)細(xì)胞功能和活力的損害。利用相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝，結(jié)合圖像處理實(shí)時(shí)計(jì)算檢測(cè)細(xì)胞的二維位置，檢測(cè)精度更高，確保了單細(xì)胞封裝的高效率。此技術(shù)在單細(xì)胞組學(xué)、組織工程和細(xì)胞系開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，為這些領(lǐng)域的研究提供了一種高效、無(wú)標(biāo)記的單細(xì)胞分選方法。3.2.2中科院長(zhǎng)春光機(jī)所激光精準(zhǔn)分選案例中科院長(zhǎng)春光機(jī)所李備團(tuán)隊(duì)研發(fā)的單細(xì)胞精準(zhǔn)分選儀是世界上公開(kāi)發(fā)布的第一款基于激光精準(zhǔn)分選技術(shù)的商業(yè)化單細(xì)胞分離產(chǎn)品，該設(shè)備在復(fù)雜生物樣本的單細(xì)胞分選中具有重要應(yīng)用。該設(shè)備的工作原理是利用激光與特殊介質(zhì)的相互作用，如同為細(xì)胞安置了飛機(jī)的彈射座椅。當(dāng)通過(guò)顯微成像系統(tǒng)和智能識(shí)別軟件鎖定目標(biāo)細(xì)胞后，發(fā)射激光，激光作用于特殊介質(zhì)，產(chǎn)生的力量將目標(biāo)細(xì)胞從群體中精準(zhǔn)地分離出來(lái)。這種技術(shù)不對(duì)細(xì)胞進(jìn)行任何“修飾”，避免了傳統(tǒng)分選技術(shù)中標(biāo)記物對(duì)細(xì)胞的影響，最大程度地保持了細(xì)胞本來(lái)的狀態(tài)。同時(shí)，對(duì)不同類(lèi)型、尺寸的細(xì)胞具有良好的普適性，能夠應(yīng)對(duì)各種性狀的復(fù)雜生物樣本，特別適用于微生物單細(xì)胞分選。在實(shí)際應(yīng)用中，以醫(yī)療領(lǐng)域?yàn)槔?，該設(shè)備可從血液、尿液等成分復(fù)雜的臨床樣本中，快速定位并分離病原微生物，從而及時(shí)指導(dǎo)用藥，為重癥感染患者爭(zhēng)取黃金治療期，防止抗生素濫用。在腫瘤醫(yī)學(xué)方面，它可以對(duì)癌細(xì)胞做到單細(xì)胞水平的診斷，為早期癌癥篩查和治療提供基礎(chǔ)。在生物制藥領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)具有特殊生理功能或代謝產(chǎn)物的微生物的快速、定向分選，大幅縮短制藥菌制備周期、加速新藥研發(fā)進(jìn)程。從分選效果來(lái)看，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜生物樣本中單細(xì)胞的精準(zhǔn)分離，具有無(wú)標(biāo)記、非接觸、準(zhǔn)確率高、廣泛適用等特點(diǎn)。與當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的流式細(xì)胞分選技術(shù)相比，單細(xì)胞精準(zhǔn)分選技術(shù)具有“百步穿楊”和“隔空取物”兩項(xiàng)優(yōu)勢(shì)?！鞍俨酱睢斌w現(xiàn)在對(duì)于由成千上萬(wàn)個(gè)細(xì)胞組成的生物樣本，流式細(xì)胞分選更擅長(zhǎng)將其中尺寸較大（10微米以上）、類(lèi)型相同的細(xì)胞分選出來(lái)，但對(duì)于尺寸幾微米甚至更小的微生物細(xì)胞、或某個(gè)特定的目標(biāo)細(xì)胞分選，流式細(xì)胞儀就顯得有些力不從心，而單細(xì)胞精準(zhǔn)分選儀通過(guò)與顯微成像系統(tǒng)配合，可對(duì)復(fù)雜生物樣本中任一目標(biāo)細(xì)胞進(jìn)行分選，真正實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)分選”?！案艨杖∥铩眲t是指流式細(xì)胞分選分選過(guò)程中，高流速容易對(duì)細(xì)胞造成損傷，而單細(xì)胞激光彈射技術(shù)在分選時(shí)，激光只作用于分選芯片的特殊材料上，目標(biāo)細(xì)胞隨材料一起被彈出，這種隔空取物的方式幾乎對(duì)細(xì)胞沒(méi)有損傷。3.3技術(shù)優(yōu)勢(shì)與局限性主動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)以其獨(dú)特的工作原理，在細(xì)胞分選領(lǐng)域展現(xiàn)出了諸多顯著的優(yōu)勢(shì)，為生命科學(xué)研究和臨床應(yīng)用提供了有力的支持。但與此同時(shí)，這類(lèi)技術(shù)也存在著一些局限性，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮。主動(dòng)分選技術(shù)的優(yōu)勢(shì)首先體現(xiàn)在其分選效率和準(zhǔn)確性上?；谖⒘骺貨_擊打印的技術(shù)，能夠通過(guò)實(shí)時(shí)圖像處理快速準(zhǔn)確地識(shí)別單細(xì)胞，并利用沖擊打印將單細(xì)胞封裝在單個(gè)液滴中，形成單細(xì)胞液滴陣列。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院微納米工程研究室的李保慶副教授團(tuán)隊(duì)提出的基于微流控沖擊打印的無(wú)標(biāo)記單細(xì)胞分選技術(shù)，就具有95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細(xì)胞捕獲效率?；诩す饩珳?zhǔn)分選的技術(shù)，通過(guò)激光與特殊介質(zhì)的相互作用，能夠?qū)δ繕?biāo)細(xì)胞進(jìn)行非接觸式的精準(zhǔn)彈射分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜生物樣本中任一目標(biāo)細(xì)胞的分選。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所李備團(tuán)隊(duì)研發(fā)的單細(xì)胞精準(zhǔn)分選儀，能夠從血液、尿液等成分復(fù)雜的臨床樣本中，快速定位并分離病原微生物，為重癥感染患者爭(zhēng)取黃金治療期。這些技術(shù)的高精度和高特異性，使得它們?cè)谀[瘤細(xì)胞檢測(cè)、干細(xì)胞分選、微生物單細(xì)胞分選等對(duì)細(xì)胞純度和活性要求較高的領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。主動(dòng)分選技術(shù)還具有對(duì)細(xì)胞損傷小的優(yōu)勢(shì)。如單細(xì)胞激光彈射技術(shù)在分選時(shí)，激光只作用于分選芯片的特殊材料上，目標(biāo)細(xì)胞隨材料一起被彈出，這種隔空取物的方式幾乎對(duì)細(xì)胞沒(méi)有損傷，能夠最大程度地保持細(xì)胞的活性和完整性。這對(duì)于需要保持細(xì)胞原始狀態(tài)進(jìn)行后續(xù)研究的實(shí)驗(yàn)，如干細(xì)胞培養(yǎng)和分化研究、細(xì)胞治療等，具有重要意義。主動(dòng)分選技術(shù)也存在一些局限性。這類(lèi)技術(shù)通常對(duì)設(shè)備的要求較高，需要精密的儀器和復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的操控和分選。基于微流控沖擊打印的技術(shù)需要高速相機(jī)、信號(hào)控制模塊、壓電致動(dòng)器等多個(gè)組件協(xié)同工作，設(shè)備成本較高。基于激光精準(zhǔn)分選的技術(shù)需要高精度的激光系統(tǒng)和特殊的分選芯片，設(shè)備的研發(fā)和制造成本也相對(duì)較高。這使得主動(dòng)分選技術(shù)的推廣和應(yīng)用受到了一定的限制，尤其是在一些資源有限的實(shí)驗(yàn)室和臨床環(huán)境中。主動(dòng)分選技術(shù)的操作復(fù)雜性也是一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。這些技術(shù)往往需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作和維護(hù)，對(duì)操作人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)要求較高。在基于介電泳的細(xì)胞分選技術(shù)中，需要精確控制電場(chǎng)參數(shù)，如電壓幅值、頻率等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的有效分選。不同類(lèi)型的細(xì)胞對(duì)電場(chǎng)參數(shù)的響應(yīng)不同，需要操作人員根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，這增加了操作的難度和復(fù)雜性。主動(dòng)分選技術(shù)在一些情況下還可能對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生潛在的影響。盡管激光精準(zhǔn)分選技術(shù)對(duì)細(xì)胞的損傷較小，但激光的能量和特殊介質(zhì)的物理變化可能會(huì)對(duì)細(xì)胞的生理功能產(chǎn)生一定的影響，需要進(jìn)一步的研究來(lái)評(píng)估其安全性和可靠性。四、被動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)4.1技術(shù)原理與分類(lèi)被動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)是一種基于細(xì)胞自身物理性質(zhì)差異，在特定的微流控芯片或其他分選裝置中實(shí)現(xiàn)細(xì)胞自然分離的技術(shù)。該技術(shù)無(wú)需外部施加額外的物理場(chǎng)，僅依靠芯片自身的物理結(jié)構(gòu)或者流道中細(xì)胞之間的相互作用產(chǎn)生的流體動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)分選。其原理主要基于細(xì)胞的大小、形狀、密度、可變形性等物理性質(zhì)，以及流體動(dòng)力學(xué)、慣性力、擴(kuò)散力等物理原理。根據(jù)這些原理，被動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)可分為基于微結(jié)構(gòu)過(guò)濾的技術(shù)、基于流體動(dòng)力學(xué)的技術(shù)、基于微液滴的技術(shù)等不同類(lèi)型。這些技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、藥物研發(fā)、生物工程等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，為細(xì)胞分析和研究提供了重要的手段。4.1.1基于微結(jié)構(gòu)過(guò)濾的技術(shù)原理基于微結(jié)構(gòu)過(guò)濾的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)，是一種利用微流控芯片中特定微結(jié)構(gòu)來(lái)篩選不同大小細(xì)胞的方法。該技術(shù)的核心在于通過(guò)精心設(shè)計(jì)微流控芯片的微結(jié)構(gòu)，如微柱陣列、微通道網(wǎng)絡(luò)等，使其能夠根據(jù)細(xì)胞的大小差異對(duì)細(xì)胞進(jìn)行有效分離。當(dāng)細(xì)胞懸浮液在微流控芯片的微通道中流動(dòng)時(shí)，不同大小的細(xì)胞會(huì)受到微結(jié)構(gòu)的不同作用。尺寸小于微結(jié)構(gòu)間隙的細(xì)胞能夠順利通過(guò)微結(jié)構(gòu)，而尺寸大于微結(jié)構(gòu)間隙的細(xì)胞則會(huì)被阻擋或改變運(yùn)動(dòng)軌跡。在具有微柱陣列的微流控芯片中，較小的細(xì)胞可以在微柱之間的間隙中自由流動(dòng)，而較大的細(xì)胞則會(huì)與微柱發(fā)生碰撞，從而被滯留在特定區(qū)域。通過(guò)合理設(shè)計(jì)微柱的尺寸、間距以及排列方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小細(xì)胞的精準(zhǔn)篩選。這種技術(shù)的分選機(jī)制主要基于物理篩分原理。就像日常生活中的篩子，根據(jù)篩孔的大小可以篩選出不同粒徑的顆粒。在微流控芯片中，微結(jié)構(gòu)就相當(dāng)于篩孔，細(xì)胞則相當(dāng)于顆粒。通過(guò)精確控制微結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)細(xì)胞的高效分離。該技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)細(xì)胞大小差異較為明顯的樣品進(jìn)行分選。在血液細(xì)胞分析中，可以利用基于微結(jié)構(gòu)過(guò)濾的技術(shù)將紅細(xì)胞、白細(xì)胞等不同大小的細(xì)胞分離開(kāi)來(lái)，為后續(xù)的細(xì)胞分析和診斷提供基礎(chǔ)。4.1.2基于流體動(dòng)力學(xué)的技術(shù)原理基于流體動(dòng)力學(xué)的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)，是一種利用細(xì)胞在流體中運(yùn)動(dòng)特性差異來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分選的方法。該技術(shù)的原理基于流體動(dòng)力學(xué)中的慣性力、粘滯力、Dean力等多種力的作用。當(dāng)細(xì)胞懸浮液在微流控芯片的微通道中流動(dòng)時(shí)，細(xì)胞會(huì)受到流體的作用力。不同大小、形狀和密度的細(xì)胞在流體中受到的這些力的大小和方向不同，從而導(dǎo)致它們?cè)谖⑼ǖ乐械倪\(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生差異。在慣性微流控技術(shù)中，當(dāng)細(xì)胞在微通道中高速流動(dòng)時(shí)，會(huì)受到慣性力的作用。較大的細(xì)胞由于慣性較大，更容易偏離流線，向微通道的特定位置聚集；而較小的細(xì)胞則由于慣性較小，更傾向于沿著流線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)微通道的形狀和尺寸，以及控制流體的流速，可以使不同大小的細(xì)胞在微通道中形成不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的分離。在螺旋形微流控芯片中，細(xì)胞在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到Dean力的作用。Dean力是由于流體在彎曲通道中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的二次流而產(chǎn)生的。細(xì)胞在Dean力的作用下，會(huì)向微通道的外側(cè)或內(nèi)側(cè)聚集，具體取決于細(xì)胞的大小和形狀。通過(guò)調(diào)節(jié)微通道的曲率、流速等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同細(xì)胞的有效分離。這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式主要是通過(guò)優(yōu)化微流控芯片的設(shè)計(jì)和流體的控制。通過(guò)精確控制微通道的幾何形狀、尺寸以及流體的流速、流量等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)軌跡的精確控制，從而達(dá)到高效分選細(xì)胞的目的。該技術(shù)具有高通量、無(wú)標(biāo)記、對(duì)細(xì)胞損傷小等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、細(xì)胞分析等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在循環(huán)腫瘤細(xì)胞的檢測(cè)中，基于流體動(dòng)力學(xué)的技術(shù)可以從大量的血細(xì)胞中分離出稀少的循環(huán)腫瘤細(xì)胞，為腫瘤的早期診斷和治療提供重要的依據(jù)。4.1.3基于微液滴的技術(shù)原理基于微液滴的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)，是一種將細(xì)胞包裹在微液滴中，利用微液滴的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分選的方法。該技術(shù)的原理是利用微流控技術(shù)將細(xì)胞懸浮液分割成大量的微小液滴，每個(gè)液滴中可能包含單個(gè)或多個(gè)細(xì)胞。在微液滴生成過(guò)程中，通過(guò)精確控制微流控芯片的結(jié)構(gòu)和流體的流速，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微液滴大小和細(xì)胞包裹情況的精確控制。通常采用兩相流的方式，將細(xì)胞懸浮液作為分散相，與連續(xù)相（通常為油相）在微流控芯片的特定結(jié)構(gòu)中相遇，通過(guò)剪切力的作用將細(xì)胞懸浮液分割成微液滴。在T型或十字型微流控芯片中，細(xì)胞懸浮液和油相在通道的交叉處相遇，通過(guò)調(diào)節(jié)流速比，可以生成大小均勻的微液滴，并將細(xì)胞包裹其中。在分選過(guò)程中，利用微液滴的物理性質(zhì)差異，如大小、表面電荷、熒光特性等，以及微液滴在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等外部場(chǎng)中的響應(yīng)差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)包裹有目標(biāo)細(xì)胞的微液滴的分選?？梢岳媒殡娪炯夹g(shù)，根據(jù)微液滴的介電性質(zhì)差異，在非均勻電場(chǎng)中對(duì)微液滴施加不同的作用力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微液滴的分選。也可以利用熒光檢測(cè)技術(shù)，對(duì)包裹有熒光標(biāo)記細(xì)胞的微液滴進(jìn)行識(shí)別和分選。這種技術(shù)的微液滴生成和分選過(guò)程緊密相關(guān)。高質(zhì)量的微液滴生成是實(shí)現(xiàn)高效分選的基礎(chǔ)，而精確的分選則依賴(lài)于對(duì)微液滴特性的準(zhǔn)確檢測(cè)和對(duì)外部場(chǎng)的精確控制。該技術(shù)具有單細(xì)胞分析能力強(qiáng)、高通量、可實(shí)現(xiàn)并行處理等優(yōu)點(diǎn)，在單細(xì)胞測(cè)序、藥物篩選、細(xì)胞培養(yǎng)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在單細(xì)胞測(cè)序中，基于微液滴的技術(shù)可以將單個(gè)細(xì)胞包裹在微液滴中，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)胞的全基因組擴(kuò)增和測(cè)序，為研究細(xì)胞的異質(zhì)性提供了有力的工具。4.2典型案例分析4.2.1螺旋式微流控芯片被動(dòng)分選案例為了驗(yàn)證螺旋式微流控芯片在細(xì)胞分選中的有效性，研究人員進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，選用了直徑分別為7.5μm和15μm的聚苯乙烯微粒來(lái)模擬細(xì)胞，將其濃度調(diào)制為1.0×10?beads/ml，并分別用FITC（綠色）和TRITC（橙紅色）對(duì)微粒進(jìn)行染色，以便于觀察和區(qū)分。實(shí)驗(yàn)設(shè)定流速為1.5ml/min（即1.5×10?beads/min），使用倒置顯微鏡拍攝圖像，并對(duì)所拍攝到的圖像進(jìn)行合成，以顯示兩種微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，分選效果十分明顯。綠色線代表FITC染色的7.5μm微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，這些微粒從第1、2通道流出；橙紅色線代表TRITC染色的15μm微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，它們?cè)诘?通道流出。這表明不同尺寸的微粒在螺旋式微流控芯片中，由于受到慣性力和Dean力的作用，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了明顯的差異，從而實(shí)現(xiàn)了高效的分離。螺旋式微流控芯片在細(xì)胞分選中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在循環(huán)腫瘤細(xì)胞的檢測(cè)中，由于循環(huán)腫瘤細(xì)胞與正常血細(xì)胞在大小、形狀等物理屬性上存在差異，通過(guò)螺旋式微流控芯片，可以利用這些差異將稀少的循環(huán)腫瘤細(xì)胞從大量的血細(xì)胞中分離出來(lái)。這種技術(shù)為腫瘤的早期診斷和治療提供了重要的依據(jù)，有助于醫(yī)生及時(shí)了解患者的病情，制定更加精準(zhǔn)的治療方案。4.2.2基于微結(jié)構(gòu)過(guò)濾的細(xì)胞分選案例重慶大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種由ITO微電極及PDMS微結(jié)構(gòu)通道組成的微流控芯片，旨在實(shí)現(xiàn)基于微結(jié)構(gòu)過(guò)濾和介電泳效應(yīng)的細(xì)胞分選。在芯片設(shè)計(jì)方面，通過(guò)仿真分析了不同形狀的過(guò)濾微柱所誘導(dǎo)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度梯度分布，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了具有特定微結(jié)構(gòu)的過(guò)濾微柱。在微過(guò)濾結(jié)構(gòu)區(qū)域集成微電極，通過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)濾結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和加載的交流信號(hào)參數(shù)，誘導(dǎo)形成可以驅(qū)動(dòng)細(xì)胞往低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域運(yùn)動(dòng)的負(fù)向介電電泳效應(yīng)，進(jìn)而避免待分選細(xì)胞在過(guò)濾孔區(qū)域的堵塞。在實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置上，采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)，在35Vp~p/10KHz的交流信號(hào)條件下，對(duì)37μm、16.3μm、9.7μm三種尺度微粒進(jìn)行分選；在100Vp~p/10KHz的交流信號(hào)條件下，對(duì)雨生紅球藻細(xì)胞進(jìn)行分選富集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該芯片對(duì)三種尺度微粒的分選效果良好。在對(duì)37μm微粒的分選中，其在收集區(qū)的占比達(dá)到85%；對(duì)16.3μm微粒的收集效率達(dá)到89%；對(duì)9.7μm微粒的收集效率達(dá)到90%。對(duì)雨生紅球藻細(xì)胞也有較好的收集效果，在第一級(jí)收集到細(xì)胞尺寸較大、活性較好的雨生紅球藻，第二級(jí)收集到少量尺寸較大但活性不好的雨生紅球藻和部分片球藻，并完成了對(duì)雨生紅球藻的分選收集。這表明該芯片及分選方法對(duì)非生物樣品和生物樣品都具有較好的分選收集效果，并且在一定程度上解決了微柱過(guò)濾方法中的堵塞問(wèn)題，提高了分選通量。4.3技術(shù)優(yōu)勢(shì)與局限性被動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)以其獨(dú)特的工作原理，在細(xì)胞分選領(lǐng)域展現(xiàn)出了諸多顯著的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在一定的局限性。被動(dòng)分選技術(shù)的優(yōu)勢(shì)首先體現(xiàn)在其操作的簡(jiǎn)便性和對(duì)細(xì)胞的低損傷性上。基于微結(jié)構(gòu)過(guò)濾的技術(shù)，如重慶大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的微流控芯片，通過(guò)精心設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)，利用物理篩分原理實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分選，操作簡(jiǎn)單，成本較低。這種技術(shù)對(duì)細(xì)胞的損傷較小，能夠較好地保持細(xì)胞的活性和完整性，適用于對(duì)細(xì)胞活性要求較高的實(shí)驗(yàn)?；诹黧w動(dòng)力學(xué)的技術(shù)，如螺旋式微流控芯片，利用細(xì)胞在流體中的運(yùn)動(dòng)特性差異進(jìn)行分選，無(wú)需外部施加額外的物理場(chǎng)，對(duì)細(xì)胞的干擾較小。在循環(huán)腫瘤細(xì)胞的檢測(cè)中，這種技術(shù)能夠從大量的血細(xì)胞中分離出稀少的循環(huán)腫瘤細(xì)胞，且對(duì)細(xì)胞的損傷小，為后續(xù)的細(xì)胞分析和診斷提供了高質(zhì)量的樣本。被動(dòng)分選技術(shù)還具有高通量的優(yōu)勢(shì)?；谖⒁旱蔚募夹g(shù)，能夠?qū)⒓?xì)胞包裹在微液滴中，實(shí)現(xiàn)高通量的單細(xì)胞分析和分選。在單細(xì)胞測(cè)序中，該技術(shù)可以將單個(gè)細(xì)胞包裹在微液滴中，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)細(xì)胞的全基因組擴(kuò)增和測(cè)序，大大提高了測(cè)序的通量和效率。被動(dòng)分選技術(shù)也存在一些局限性。基于微結(jié)構(gòu)過(guò)濾的技術(shù)，雖然操作簡(jiǎn)單，但容易出現(xiàn)過(guò)濾結(jié)構(gòu)被堵塞的問(wèn)題，影響分選的效率和穩(wěn)定性。重慶大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在微過(guò)濾結(jié)構(gòu)區(qū)域集成微電極，利用負(fù)向介電電泳效應(yīng)在一定程度上解決了堵塞問(wèn)題，但仍需要進(jìn)一步優(yōu)化?；诹黧w動(dòng)力學(xué)的技術(shù)，分選精度相對(duì)較低，對(duì)于一些物理性質(zhì)差異較小的細(xì)胞，難以實(shí)現(xiàn)精確分選。在實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)出現(xiàn)部分細(xì)胞分離不完全的情況，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性?；谖⒁旱蔚募夹g(shù)，對(duì)微液滴的生成和分選設(shè)備要求較高，設(shè)備成本相對(duì)較高，限制了其在一些資源有限的實(shí)驗(yàn)室和臨床環(huán)境中的應(yīng)用。五、主動(dòng)與被動(dòng)分選技術(shù)的比較與融合5.1技術(shù)性能對(duì)比主動(dòng)分選技術(shù)在分選效率和精度方面表現(xiàn)出色。以基于微流控沖擊打印的技術(shù)為例，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李保慶副教授團(tuán)隊(duì)的研究成果顯示，該技術(shù)具有95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細(xì)胞捕獲效率，能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別并分離單細(xì)胞。在分選精度上，基于激光精準(zhǔn)分選的技術(shù)，如中科院長(zhǎng)春光機(jī)所李備團(tuán)隊(duì)研發(fā)的單細(xì)胞精準(zhǔn)分選儀，能夠通過(guò)激光與特殊介質(zhì)的相互作用，對(duì)復(fù)雜生物樣本中任一目標(biāo)細(xì)胞進(jìn)行精準(zhǔn)分選，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)細(xì)胞的非接觸式、高精度彈射分離。這使得主動(dòng)分選技術(shù)在對(duì)細(xì)胞純度和活性要求較高的領(lǐng)域，如腫瘤細(xì)胞檢測(cè)、干細(xì)胞分選等，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。被動(dòng)分選技術(shù)的分選效率相對(duì)較低，在精度上也難以達(dá)到主動(dòng)分選技術(shù)的水平?；谖⒔Y(jié)構(gòu)過(guò)濾的技術(shù)，雖然能夠根據(jù)細(xì)胞大小差異進(jìn)行分選，但容易出現(xiàn)過(guò)濾結(jié)構(gòu)被堵塞的問(wèn)題，影響分選效率和穩(wěn)定性?；诹黧w動(dòng)力學(xué)的技術(shù)，如螺旋式微流控芯片，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高通量的細(xì)胞分離，但對(duì)于一些物理性質(zhì)差異較小的細(xì)胞，難以實(shí)現(xiàn)精確分選。在實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)出現(xiàn)部分細(xì)胞分離不完全的情況，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在通量方面，被動(dòng)分選技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)。基于流體動(dòng)力學(xué)的技術(shù)，如慣性微流控技術(shù)，能夠在高通量的情況下實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的快速分選。在螺旋式微流控芯片的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)設(shè)定合適的流速，可以實(shí)現(xiàn)較高的通量，滿足大規(guī)模細(xì)胞分析的需求。而主動(dòng)分選技術(shù)，由于其對(duì)設(shè)備和操作的要求較高，通量相對(duì)較低。基于微流控沖擊打印的技術(shù)，雖然在捕獲效率和精度上表現(xiàn)優(yōu)異，但通量?jī)H為2Hz，難以滿足大規(guī)模細(xì)胞分選的需求。在細(xì)胞損傷方面，被動(dòng)分選技術(shù)對(duì)細(xì)胞的損傷較小?；谖⒔Y(jié)構(gòu)過(guò)濾和流體動(dòng)力學(xué)的技術(shù)，主要依靠物理原理實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離，無(wú)需外部施加額外的物理場(chǎng)，對(duì)細(xì)胞的干擾較小?；谖⒁旱蔚募夹g(shù)，在微液滴生成和分選過(guò)程中，對(duì)細(xì)胞的損傷也相對(duì)較小，能夠較好地保持細(xì)胞的活性和完整性。主動(dòng)分選技術(shù)，雖然在不斷改進(jìn)以減少對(duì)細(xì)胞的損傷，但在一些情況下，如基于激光精準(zhǔn)分選的技術(shù)，激光的能量和特殊介質(zhì)的物理變化可能會(huì)對(duì)細(xì)胞的生理功能產(chǎn)生一定的影響。從設(shè)備成本來(lái)看，主動(dòng)分選技術(shù)通常需要精密的儀器和復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)備成本較高。基于微流控沖擊打印的技術(shù)需要高速相機(jī)、信號(hào)控制模塊、壓電致動(dòng)器等多個(gè)組件協(xié)同工作，設(shè)備成本較高?；诩す饩珳?zhǔn)分選的技術(shù)需要高精度的激光系統(tǒng)和特殊的分選芯片，設(shè)備的研發(fā)和制造成本也相對(duì)較高。被動(dòng)分選技術(shù)的設(shè)備成本相對(duì)較低?；谖⒔Y(jié)構(gòu)過(guò)濾的技術(shù)，只需要簡(jiǎn)單的微流控芯片和流體驅(qū)動(dòng)裝置即可實(shí)現(xiàn)分選，成本較低?；诹黧w動(dòng)力學(xué)的技術(shù)，雖然需要設(shè)計(jì)和制造特殊的微流控芯片，但整體設(shè)備成本仍相對(duì)較低。5.2適用場(chǎng)景分析主動(dòng)分選技術(shù)由于其高精度和高特異性，適用于對(duì)細(xì)胞純度和活性要求較高的場(chǎng)景。在腫瘤細(xì)胞檢測(cè)中，需要從大量的正常細(xì)胞中準(zhǔn)確地分離出腫瘤細(xì)胞，以便進(jìn)行后續(xù)的基因分析和藥物篩選。主動(dòng)分選技術(shù)能夠精確地識(shí)別和分離腫瘤細(xì)胞，避免正常細(xì)胞的干擾，為腫瘤的早期診斷和個(gè)性化治療提供準(zhǔn)確的細(xì)胞樣本。在干細(xì)胞分選領(lǐng)域，主動(dòng)分選技術(shù)能夠根據(jù)干細(xì)胞的特殊物理性質(zhì)，如電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)等，將干細(xì)胞從復(fù)雜的細(xì)胞群體中分離出來(lái)，保證干細(xì)胞的純度和活性，為干細(xì)胞治療和再生醫(yī)學(xué)研究提供高質(zhì)量的細(xì)胞資源。被動(dòng)分選技術(shù)則更適合于對(duì)通量要求較高、對(duì)細(xì)胞損傷較為敏感的場(chǎng)景。在血液細(xì)胞分析中，需要對(duì)大量的血液樣本進(jìn)行快速處理，以獲取各種血細(xì)胞的信息。被動(dòng)分選技術(shù)如基于流體動(dòng)力學(xué)的慣性微流控技術(shù)，能夠在高通量的情況下實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的快速分離，滿足血液細(xì)胞分析的需求。在微生物檢測(cè)中，被動(dòng)分選技術(shù)可以從復(fù)雜的樣品中快速分離出微生物細(xì)胞，且對(duì)細(xì)胞的損傷較小，能夠保持微生物的活性，便于后續(xù)的培養(yǎng)和分析。5.3技術(shù)融合的可能性與前景主動(dòng)分選技術(shù)和被動(dòng)分選技術(shù)各自具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性，將兩者進(jìn)行融合具有很大的可能性和廣闊的前景。從技術(shù)原理上看，主動(dòng)分選技術(shù)能夠精確地控制細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)細(xì)胞的高特異性分選；被動(dòng)分選技術(shù)則能夠在高通量的情況下實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的快速分離，且對(duì)細(xì)胞的損傷較小。將兩者結(jié)合，可以充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的不足。在微流控芯片的設(shè)計(jì)中，可以先利用被動(dòng)分選技術(shù)，如基于流體動(dòng)力學(xué)的慣性微流控技術(shù)，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行初步的分離和富集，將細(xì)胞按照大小、形狀等物理性質(zhì)進(jìn)行初步分類(lèi)，提高樣品的純度和濃度。然后，再利用主動(dòng)分選技術(shù)，如基于介電泳的技術(shù)，對(duì)初步分離后的細(xì)胞進(jìn)行進(jìn)一步的精確分選，根據(jù)細(xì)胞的電學(xué)性質(zhì)等差異，將目標(biāo)細(xì)胞從混合細(xì)胞群體中精準(zhǔn)地分離出來(lái)，提高分選的精度和特異性。在實(shí)際應(yīng)用中，技術(shù)融合的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到了一定的體現(xiàn)。在循環(huán)腫瘤細(xì)胞的檢測(cè)中，由于循環(huán)腫瘤細(xì)胞在血液中的含量極低，且與正常血細(xì)胞的物理性質(zhì)差異較小，傳統(tǒng)的單一分選技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)高效的分離和檢測(cè)。將主動(dòng)分選技術(shù)和被動(dòng)分選技術(shù)相結(jié)合，可以先通過(guò)基于微結(jié)構(gòu)過(guò)濾的被動(dòng)分選技術(shù)，去除血液中的大部分紅細(xì)胞和白細(xì)胞等雜質(zhì)，對(duì)樣品進(jìn)行初步富集。再利用基于介電泳的主動(dòng)分選技術(shù)，對(duì)富集后的樣品進(jìn)行精確分選，提高循環(huán)腫瘤細(xì)胞的捕獲率和純度。這樣不僅可以提高檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性，還能為后續(xù)的腫瘤診斷和治療提供更可靠的依據(jù)。技術(shù)融合還為細(xì)胞分選技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向。隨著微納加工技術(shù)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等多學(xué)科的不斷發(fā)展，未來(lái)可以進(jìn)一步探索將主動(dòng)分選技術(shù)和被動(dòng)分選技術(shù)與其他先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的可能性。將微流控技術(shù)與納米技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出具有更高性能的微流控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的更精準(zhǔn)操控和分離。利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)細(xì)胞分選過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化，提高分選的效率和質(zhì)量。這些技術(shù)融合的發(fā)展，將為細(xì)胞分選技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、藥物研發(fā)、生物工程等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)更廣闊的前景。在藥物研發(fā)中，通過(guò)將主動(dòng)分選技術(shù)和被動(dòng)分選技術(shù)相結(jié)合，能夠更高效地篩選出對(duì)特定細(xì)胞具有作用的藥物，加速藥物研發(fā)的進(jìn)程，為疾病的治療提供更多有效的藥物選擇。六、應(yīng)用領(lǐng)域與案例分析6.1在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用6.1.1疾病診斷中的細(xì)胞分選應(yīng)用在疾病診斷領(lǐng)域，基于主動(dòng)和被動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為癌癥、傳染病等疾病的早期診斷和病情監(jiān)測(cè)提供了有力的支持。在癌癥診斷方面，循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）的檢測(cè)對(duì)于癌癥的早期發(fā)現(xiàn)和轉(zhuǎn)移監(jiān)測(cè)具有重要意義。由于CTCs在血液中的含量極低，每毫升血液中可能僅有幾個(gè)到幾十個(gè)，因此需要高效的細(xì)胞分選技術(shù)將其從大量的血細(xì)胞中分離出來(lái)?；诒粍?dòng)分選的螺旋式微流控芯片技術(shù)，利用細(xì)胞在流體中的運(yùn)動(dòng)特性差異，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)CTCs的高效分離。在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，選用直徑分別為7.5μm和15μm的聚苯乙烯微粒模擬細(xì)胞，設(shè)定流速為1.5ml/min，結(jié)果顯示不同尺寸的微粒在螺旋式微流控芯片中實(shí)現(xiàn)了高效分離。這表明該技術(shù)能夠利用CTCs與正常血細(xì)胞在大小、形狀等物理屬性上的差異，將稀少的CTCs從大量的血細(xì)胞中分離出來(lái)，為腫瘤的早期診斷和治療提供重要依據(jù)?；谥鲃?dòng)分選的介電泳技術(shù)，也在CTCs的分離中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)在微流控芯片的微電極陣列上施加交變電場(chǎng)，根據(jù)CTCs與正常血細(xì)胞介電性質(zhì)的差異，使CTCs在介電泳力的作用下沿著特定的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與其他細(xì)胞的分離。這種技術(shù)能夠精確地控制細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高CTCs的捕獲率和純度，為癌癥的早期診斷和個(gè)性化治療提供準(zhǔn)確的細(xì)胞樣本。在傳染病診斷中，細(xì)胞分選技術(shù)同樣發(fā)揮著重要作用。在病毒感染的診斷中，需要從患者的樣本中分離出被病毒感染的細(xì)胞，以便進(jìn)行病毒載量的檢測(cè)和病毒基因的分析?；谥鲃?dòng)分選的激光精準(zhǔn)分選技術(shù)，能夠?qū)δ繕?biāo)細(xì)胞進(jìn)行非接觸式的精準(zhǔn)彈射分離，從復(fù)雜的樣本中快速定位并分離出被病毒感染的細(xì)胞，為傳染病的診斷和治療提供關(guān)鍵信息。基于被動(dòng)分選的微結(jié)構(gòu)過(guò)濾技術(shù)，利用微流控芯片中特定微結(jié)構(gòu)對(duì)不同大小細(xì)胞的篩選作用，能夠從患者的樣本中分離出病原體細(xì)胞，為傳染病的診斷提供依據(jù)。6.1.2藥物研發(fā)中的細(xì)胞分選應(yīng)用在藥物研發(fā)過(guò)程中，基于主動(dòng)和被動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)為藥物篩選和藥效評(píng)估提供了高質(zhì)量的細(xì)胞樣本，加速了藥物研發(fā)的進(jìn)程。在藥物篩選階段，需要從大量的候選化合物中篩選出具有潛在治療效果的藥物?；谥鲃?dòng)分選的微流控沖擊打印技術(shù)，能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別單細(xì)胞，并將其封裝在單個(gè)液滴中，形成單細(xì)胞液滴陣列。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李保慶副教授團(tuán)隊(duì)的研究成果顯示，該技術(shù)具有95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細(xì)胞捕獲效率。利用這種技術(shù)，可以將不同的候選化合物與單細(xì)胞液滴中的細(xì)胞進(jìn)行作用，通過(guò)觀察細(xì)胞的反應(yīng)，篩選出對(duì)目標(biāo)細(xì)胞具有作用的藥物，提高藥物篩選的效率和準(zhǔn)確性?；诒粍?dòng)分選的微液滴技術(shù)，能夠?qū)⒓?xì)胞包裹在微液滴中，實(shí)現(xiàn)高通量的單細(xì)胞分析和分選。在藥物篩選中，將細(xì)胞和候選化合物分別包裹在不同的微液滴中，然后使微液滴相互融合，觀察細(xì)胞在藥物作用下的變化，從而篩選出具有潛在治療效果的藥物。這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高通量的藥物篩選，大大縮短了藥物研發(fā)的時(shí)間。在藥效評(píng)估方面，需要準(zhǔn)確地評(píng)估藥物對(duì)目標(biāo)細(xì)胞的治療效果。基于主動(dòng)分選的激光精準(zhǔn)分選技術(shù)，能夠從復(fù)雜的細(xì)胞群體中分離出目標(biāo)細(xì)胞，對(duì)藥物作用后的細(xì)胞進(jìn)行精確的分析，評(píng)估藥物的療效和安全性。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所李備團(tuán)隊(duì)研發(fā)的單細(xì)胞精準(zhǔn)分選儀，能夠?qū)?fù)雜生物樣本中任一目標(biāo)細(xì)胞進(jìn)行精準(zhǔn)分選，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)細(xì)胞的非接觸式、高精度彈射分離。利用該技術(shù)，可以將藥物作用后的細(xì)胞從細(xì)胞群體中分離出來(lái)，進(jìn)行基因表達(dá)、蛋白質(zhì)組學(xué)等方面的分析，全面評(píng)估藥物的治療效果?；诒粍?dòng)分選的流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，能夠在高通量的情況下實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的快速分離，為藥效評(píng)估提供大量的細(xì)胞樣本。在基于流體動(dòng)力學(xué)的慣性微流控技術(shù)中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)微通道的形狀和尺寸，以及控制流體的流速，可以使不同大小的細(xì)胞在微通道中形成不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的分離。利用這種技術(shù)，可以從大量的細(xì)胞中快速分離出藥物作用后的細(xì)胞，進(jìn)行大規(guī)模的藥效評(píng)估，提高評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。6.2在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用6.2.1單細(xì)胞組學(xué)研究中的應(yīng)用在單細(xì)胞組學(xué)研究中，基于主動(dòng)和被動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為深入探究細(xì)胞的基因表達(dá)和功能提供了重要手段。在單細(xì)胞基因組測(cè)序方面，精準(zhǔn)的單細(xì)胞分離是獲取高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)?；谥鲃?dòng)分選的微流控沖擊打印技術(shù)，能夠通過(guò)實(shí)時(shí)圖像處理快速準(zhǔn)確地識(shí)別單細(xì)胞，并將其封裝在單個(gè)液滴中，形成單細(xì)胞液滴陣列。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)李保慶副教授團(tuán)隊(duì)的研究成果顯示，該技術(shù)具有95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細(xì)胞捕獲效率。利用這種技術(shù)，可以將單個(gè)細(xì)胞從復(fù)雜的細(xì)胞群體中高效分離出來(lái)，為單細(xì)胞基因組測(cè)序提供純凈的細(xì)胞樣本。在對(duì)腫瘤細(xì)胞的單細(xì)胞基因組測(cè)序中，通過(guò)微流控沖擊打印技術(shù)分離得到的單細(xì)胞，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到腫瘤細(xì)胞的基因突變情況，為腫瘤的精準(zhǔn)診斷和治療提供了關(guān)鍵信息。基于被動(dòng)分選的微結(jié)構(gòu)過(guò)濾技術(shù)，也在單細(xì)胞基因組測(cè)序中具有重要應(yīng)用。通過(guò)精心設(shè)計(jì)微流控芯片的微結(jié)構(gòu)，如微柱陣列、微通道網(wǎng)絡(luò)等，能夠根據(jù)細(xì)胞的大小差異對(duì)細(xì)胞進(jìn)行有效分離。在對(duì)干細(xì)胞的單細(xì)胞基因組測(cè)序中，利用微結(jié)構(gòu)過(guò)濾技術(shù)可以從混合細(xì)胞群體中分離出干細(xì)胞，避免其他細(xì)胞的干擾，從而準(zhǔn)確地分析干細(xì)胞的基因組特征，為干細(xì)胞的分化機(jī)制研究和臨床應(yīng)用提供了有力支持。在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序中，細(xì)胞分選技術(shù)同樣不可或缺?；谥鲃?dòng)分選的激光精準(zhǔn)分選技術(shù)，能夠?qū)δ繕?biāo)細(xì)胞進(jìn)行非接觸式的精準(zhǔn)彈射分離，從復(fù)雜的細(xì)胞群體中分離出特定的細(xì)胞，用于轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所李備團(tuán)隊(duì)研發(fā)的單細(xì)胞精準(zhǔn)分選儀，能夠?qū)?fù)雜生物樣本中任一目標(biāo)細(xì)胞進(jìn)行精準(zhǔn)分選，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)細(xì)胞的非接觸式、高精度彈射分離。利用該技術(shù)，可以從不同組織和器官中分離出特定類(lèi)型的細(xì)胞，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，揭示細(xì)胞的基因表達(dá)譜，為研究細(xì)胞的功能和分化提供了重要依據(jù)?；诒粍?dòng)分選的流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，能夠在高通量的情況下實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的快速分離，為單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序提供了大量的細(xì)胞樣本。在基于流體動(dòng)力學(xué)的慣性微流控技術(shù)中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)微通道的形狀和尺寸，以及控制流體的流速，可以使不同大小的細(xì)胞在微通道中形成不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的分離。利用這種技術(shù)，可以從大量的細(xì)胞中快速分離出不同類(lèi)型的細(xì)胞，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，分析細(xì)胞之間的基因表達(dá)差異，為研究細(xì)胞的異質(zhì)性和發(fā)育過(guò)程提供了重要信息。6.2.2細(xì)胞系開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用在細(xì)胞系開(kāi)發(fā)過(guò)程中，基于主動(dòng)和被動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)對(duì)于獲取高質(zhì)量的細(xì)胞系具有重要意義，能夠提高細(xì)胞系的穩(wěn)定性和功能性。在細(xì)胞系建立階段，需要從復(fù)雜的細(xì)胞群體中分離出具有特定特性的細(xì)胞，以建立穩(wěn)定的細(xì)胞系。基于主動(dòng)分選的介電泳技術(shù)，能夠根據(jù)細(xì)胞的介電性質(zhì)差異，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行精準(zhǔn)分選。通過(guò)在微流控芯片的微電極陣列上施加交變電場(chǎng)，使目標(biāo)細(xì)胞在介電泳力的作用下沿著特定的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與其他細(xì)胞的分離。在建立腫瘤細(xì)胞系時(shí)，利用介電泳技術(shù)可以從腫瘤組織中分離出具有高增殖能力和腫瘤特性的細(xì)胞，建立具有代表性的腫瘤細(xì)胞系，為腫瘤研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀；诒粍?dòng)分選的微液滴技術(shù)，能夠?qū)⒓?xì)胞包裹在微液滴中，實(shí)現(xiàn)高通量的單細(xì)胞分析和分選。在細(xì)胞系建立過(guò)程中，利用微液滴技術(shù)可以將單個(gè)細(xì)胞包裹在微液滴中，對(duì)其進(jìn)行培養(yǎng)和篩選，從而建立具有特定功能的細(xì)胞系。在建立干細(xì)胞系時(shí)，通過(guò)微液滴技術(shù)將單個(gè)干細(xì)胞包裹在微液滴中，進(jìn)行單細(xì)胞培養(yǎng)和分化誘導(dǎo)，篩選出具有穩(wěn)定干性和分化能力的干細(xì)胞系，為干細(xì)胞治療和再生醫(yī)學(xué)研究提供了高質(zhì)量的細(xì)胞資源。在細(xì)胞系優(yōu)化階段，需要對(duì)已建立的細(xì)胞系進(jìn)行篩選和優(yōu)化，以提高細(xì)胞系的性能?；谥鲃?dòng)分選的微流控沖擊打印技術(shù)，能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別單細(xì)胞，并將其封裝在單個(gè)液滴中，形成單細(xì)胞液滴陣列。利用這種技術(shù)，可以對(duì)細(xì)胞系中的單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行分析和篩選，去除不良細(xì)胞，保留具有優(yōu)良特性的細(xì)胞，從而優(yōu)化細(xì)胞系的質(zhì)量。在對(duì)工程細(xì)胞系的優(yōu)化中，通過(guò)微流控沖擊打印技術(shù)對(duì)細(xì)胞系中的單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行篩選，去除表達(dá)異常的細(xì)胞，提高工程細(xì)胞系的蛋白表達(dá)水平和穩(wěn)定性?；诒粍?dòng)分選的流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，能夠在高通量的情況下實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的快速分離，為細(xì)胞系優(yōu)化提供了大量的細(xì)胞樣本。在基于流體動(dòng)力學(xué)的慣性微流控技術(shù)中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)微通道的形狀和尺寸，以及控制流體的流速，可以使不同大小的細(xì)胞在微通道中形成不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的分離。利用這種技術(shù)，可以從細(xì)胞系中快速分離出不同狀態(tài)的細(xì)胞，對(duì)其進(jìn)行分析和篩選，優(yōu)化細(xì)胞系的組成，提高細(xì)胞系的性能。在對(duì)雜交瘤細(xì)胞系的優(yōu)化中，通過(guò)慣性微流控技術(shù)從雜交瘤細(xì)胞系中分離出高產(chǎn)抗體的細(xì)胞，進(jìn)一步培養(yǎng)和擴(kuò)增，提高雜交瘤細(xì)胞系的抗體產(chǎn)量和質(zhì)量。七、結(jié)論與展望7.1研究成果總結(jié)本研究深入探討了基于主動(dòng)和被動(dòng)分選的無(wú)標(biāo)記細(xì)胞分離技術(shù)，全面剖析了這兩種技術(shù)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用及相互比較。主動(dòng)分選技術(shù)借助外部物理場(chǎng)，如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、光場(chǎng)等，對(duì)細(xì)胞施加特定作用力以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控和分離。基于微流控沖擊打印的技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)圖像處理快速識(shí)別單細(xì)胞，并利用沖擊打印將其封裝在液滴中，具有95%的單顆粒捕獲效率和90.3%的單細(xì)胞捕獲效率，細(xì)胞存活率高達(dá)96.6%，在單細(xì)胞組學(xué)、組織工程和細(xì)胞系開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力?；诩す饩珳?zhǔn)分選的技術(shù)，利用激光與特殊介質(zhì)相互作用，對(duì)目標(biāo)細(xì)胞進(jìn)行非接觸式精準(zhǔn)彈射分離，能夠從復(fù)雜生物樣本中快速定位并分離病原微生物，在醫(yī)療、腫瘤醫(yī)學(xué)和生物制藥等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。被動(dòng)分選技術(shù)依據(jù)細(xì)胞自身物理性質(zhì)，如大小、形狀、密度、可變形性等，在微流控芯片等裝置中利用流體動(dòng)力學(xué)、慣性力、擴(kuò)散力等實(shí)現(xiàn)自然分離。基于微結(jié)構(gòu)過(guò)濾的技術(shù)，利用微流控芯片的微結(jié)構(gòu)根據(jù)細(xì)胞大小差異進(jìn)行篩選，操作簡(jiǎn)單、成本低，但易出現(xiàn)堵塞問(wèn)題。重慶大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的微流控芯片，通過(guò)在微過(guò)濾結(jié)構(gòu)區(qū)域集成微電極，利用負(fù)向介電電泳效應(yīng)在一定程度上解決了堵塞問(wèn)題，對(duì)非生物樣品和生物樣品都