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1. 背景介绍
细胞异质性广泛存在，制约干细胞疗法在再生医学和临床医疗领域更大应用。单细胞分离与收集技术是解决异质性问题的关键一环，探索无损伤、高效高通量单细胞分离与收集技术，愈发受到科学家们重视。
传统的手动和流式细胞分选技术需要进行荧光标记预处理，耗时效率低下且影响细胞功能。常见的微流控分选技术如液滴微流控，将单个细胞包裹后置于液滴内，但根据泊松分布，单细胞捕获效率不高，且包裹后微液滴位置不固定，无法实时观测。
来自中国科学技术大学的研发团队基于将实时细胞识别和微流体冲击打印结合的原理，设计一套单细胞分离系统，实现无标记、高效率、实时识别、高通量地分离单细胞。
2. 研究内容
此套单细胞分离系统由信号控制模块、图像处理模块和打印模块三大部分构成，详见图1所示。
图1 中国科大研发的单细胞分离系统构成原理
压力泵作用下，细胞悬液从微通道入口输送到出口，千眼狼高速摄像机搭载倒置显微镜，对焦微通道中间观测平面，以2620帧/秒速度捕获细胞灰度图像，并实时对图像进行背景提取、高斯去噪、阈值分割处理后，识别并优化二维细胞位置，然后发送触发信号至信号控制模块，触发压电致动器冲击打印室上的柔性薄膜，使包含已识别细胞的液滴从喷嘴喷射到基底上。
图2高速摄像机拍摄的微流体冲击打印过程
微流体冲击打印过程中，受流体动力学反应影响，细胞在液滴喷射过程中可能会出现横向移动、前向移动，影响可靠性，需要用高速摄像机在5×物镜下捕获细胞运动的瞬态图像，如图3、图4所示，以探寻决定细胞喷射及印刷效率的因素。
图3 高速摄像机拍摄的横向移动过程
图4 高速摄像机拍摄的前向移动过程
3. 研究结论
通过一系列采用10μm聚苯乙烯微珠喷射实验，证明基于将实时细胞识别和微流体冲击打印结合的单细胞分离系统能以无标记的方式高效、高通量地分离单细胞，单细胞液滴打印的吞吐量可达15Hz，且支持一步从细胞群中分离异质单细胞，打印效率超过95%。在细胞流体动力学反应机理研究上，通过高速摄像机观测，细胞在通道交叉区的位置、压电致动器驱动电压、液滴体积是影响印刷效率的关键变量。
4. 行业应用前景
该技术将在新兴的生物组织打印、肿瘤分型、药物筛选、化学结晶、基因分析等多个生化领域有广泛应用前景。观测仪器高速摄像机在单细胞分离阶段对细胞运动瞬态图像捕获以及及微流体冲击过程中的流体动力学反应机理研究上发挥着重要作用。
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