微型化正在迅速重塑生物化学领域,微流体和“芯片实验室”设备等新兴技术席卷全球。通常在烧瓶和试管中进行的化学反应现在可以在不超过百万分之一升的微小水滴中进行。特别是在液滴阵列夹层技术中,这种微小的液滴有序地分布在彼此相对的两个平行平面上。通过使顶部表面足够靠近底部表面,每个顶部液滴与相对的底部液滴接触,交换化学物质并转移颗粒甚至细胞。从字面上看,这些液滴可以充当小型反应室或细胞培养物。


液滴阵列夹层的问题在于没有对液滴的单独控制;一旦顶面降低,底面上的每个液滴必然与顶面上的液滴接触。换句话说,这项技术仅限于批量操作,这限制了它的多功能性并使其成本更高。是否有一种简单的方法来选择当表面靠得更近时哪些液滴应该接触?

科学家开发新方法 可控制单个水滴作为生化反应器

控制单个水滴作为生化反应器 - 日本立命馆大学的科学家开发了一种方法,可以在芯片实验室应用中更好地操纵微小水滴,用于生物化学、细胞培养和药物筛选


感谢日本立命馆大学的小西聪教授和他的同事们,答案是肯定的!在最近发表在《科学报告》上的一项研究中,这组科学家提出了一种新技术,该技术允许人们单独选择液滴以进行液滴阵列夹层的接触。他们的方法背后的想法相当简单:如果我们可以控制底部表面上单个水滴的高度,使一些水滴比其他水滴高,我们可以将两个表面靠近在一起,这样只有那些水滴才能与对应的水滴接触,同时避免休息。然而,这实际上是如何实现的,有点棘手。


研究人员此前曾尝试用电来控制每个液滴下方区域中介电材料的“润湿性”。这种被称为“电介质电润湿 (EWOD)”的方法可以让人们稍微改变停留在表面上时将水滴保持在一起的力的平衡。通过在液滴下施加电压,可以使其略微展开,增加其面积并降低其高度。然而,研究小组发现这个过程并不容易逆转,因为一旦关闭电压,液滴就不会自发恢复到原来的高度。

科学家开发新方法 可控制单个水滴作为生化反应器

为了解决这个问题,他们开发了一种具有亲水-疏水图案的 EWOD 电极。当电极打开时,前面描述的过程会使它上面的液滴散开并变短。相反,当电极关闭时,电极的外部疏水部分排斥液滴,而内部亲水部分吸引液滴。这将恢复液滴的原始形状和高度!


研究人员通过在液滴阵列夹层平台的底面上布置多个 EWOD 电极来展示他们的方法。通过简单地向选定的电极施加电压,他们可以轻松地选择当顶部平台降低时哪些液滴会接触。在他们的演示中,他们将红色染料从顶部液滴转移到仅一些底部液滴。我们的方法可用于在液滴之间建立单独的接触,使我们能够毫不费力地控制这些液滴中化学物质的浓度,甚至将活细胞从一个转移到另一个,小西教授解释说。


这项研究为液滴处理技术和自动化的潜在富有成效的结合铺平了道路。我们设想使用液滴的芯片实验室技术将取代使用移液器等工具的传统手动操作,从而提高药物筛选的效率。反过来,这将加速药物发现的过程,小西教授强调说。他补充说,在细胞生物学领域已经使用的悬滴培养细胞也将使基于细胞的药物和化学品评估更便宜、更快捷,是生物化学和细胞生物学的宝贵工具。


让我们期待这项技术的成果“落地”指日可待!


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