研究背景

正如沒有相同的兩片葉子一樣，世界上也沒有一模一樣的兩個細胞。

細胞作為生命的最小單位，承載著許多絢麗生命現象的發生。每個細胞都是無二的，異質性是細胞的天然特性之一，看似相同的一群細胞，其內部有可能存在著本質的差別。研究單個細胞可以很好的認識到細胞異質性，更好的對疾病進行解讀。單細胞分析對細胞異質學、遺傳代謝、基因工程領域及毒性檢測方面的研究具有重要意義，而單細胞分析的前提是捕獲單個細胞并形成單細胞陣列。

目前，常用的細胞捕獲方法大多數與微流控技術相結合，主要包括單光束激光法、介電泳、聲鑷及磁鑷等。介電泳捕獲的原理是使細胞在非均勻電場極化，從而在介電泳力的作用下運動或者被勢阱限制。聲鑷則是利用超聲駐波產生聲壓，實現對單細胞的操縱和捕獲。顯然，利用上述方式進行細胞捕獲后，維持細胞被捕獲的狀態需要外加的電場和磁場等。一旦取消外加物理場的作用，細胞很容易回到無序狀態，不利于后續進一步的表征和分析。因此，發展一種類似于微結構的方式，便于實現捕獲后細胞的固定、培養和觀測是單細胞分析亟需解決的難題。

創新工作

中國科學院沈陽自動化研究所王曉朵副研究員和東北大學孫麗娜副教授針對高通量單細胞捕獲的應用需求，基于飛秒激光單脈沖多光子聚合技術，結合毛細力自組裝原理，提出了一種基于微柱陣列自組裝的單細胞陣列限域被動捕獲方法，實現了人乳腺癌（MCF-7）單細胞陣列的高通量原位捕獲。該方法可有效產生大規模的單細胞陣列，在單細胞水平特異性分析和藥物篩選等領域具有良好的應用潛力。

針對多光子聚合軸向加工效率較低的問題，團隊提出了基于高縱寬比聚焦光斑進行微柱單脈沖多光子聚合加工的方法，實驗原理如圖 1（a）所示。激光光束經物鏡聚焦形成呈狹長的橢球形分布的高縱寬比聚焦光斑。向上移動光刻膠樣品時，經過聚焦光斑區域且滿足聚合能量閾值的光刻膠發生多光子聚合，形成高縱寬比微柱。通過調節橢球形光斑浸沒到光刻膠中的高度，可實現聚合微柱高度和直徑的調控。該方法中，每根微柱的曝光時間僅為單個飛秒激光脈沖寬度，即217 fs，可以極大提高微柱的軸向加工效率。

圖1 單脈沖多光子聚合實驗原理及加工結果。（a）單脈沖多光子聚合原理示意圖；（b）（c）單脈沖多光子聚合加工得到的高度為5 μm和40 μm的4×4微柱陣列；（d）入射激光功率為0.4 W-0.8 W時，微柱直徑隨高度的關系變化曲線

當相鄰微柱間的距離足夠近時，微柱受到的靜毛細力大于彈性恢復力，微柱間發生毛細力自組裝，形成微柱簇結構。圖2中微籠結構由微柱自組裝而成，從微結構掃描電子顯微鏡（SEM）圖像可以看出，自組裝的微柱緊密連接在一起。實驗結果表明，將該結構再次浸潤在液體環境中時，自組裝狀態仍可繼續保持，可以在無外場作用力的條件下，穩定維持單個細胞的捕獲狀態。

圖2 基于毛細力自組裝的圖案化微結構陣列SEM表征結果，微柱聚合的激光功率為0.4 W。（a）由4個微柱自組裝形成的微籠結構陣列，右上角為單個微籠的側視放大圖；（b）由8個微柱自組裝形成的“四葉草"微結構陣列，右上角為單個微結構的側視放大圖

在上述基礎上，開展基于毛細力自組裝原理的單細胞陣列原位捕獲實驗驗證。優化微柱間距和高度后，在由微柱組成的微結構陣列上接種MCF-7細胞。實驗結果表明，被捕獲細胞的尺寸與微結構單元的直徑相近，且每個微籠結構中的細胞數量均為一個，該方法可以有效實現單細胞陣列的高通量捕獲，不同微結構捕獲的單細胞陣列如圖3所示。由于自組裝結構僅可以捕獲于微籠直徑相近尺寸的細胞，因此捕獲的細胞直徑較為統一，可為不同直徑的細胞分選提供新的方法。

圖3 細胞原位捕獲圖。(a)(b)(c)分別是四個微柱結構原位捕獲細胞的熒光圖像、光學圖像及SEM圖；(d)(e)(f)分別是六個微柱結構原位捕獲細胞的熒光圖像、光學圖像及SEM圖；(g)(h)(i)分別是八個微柱結構原位捕獲細胞的熒光圖像、光學圖像及SEM圖

總結

團隊基于飛秒激光單脈沖多光子聚合技術，結合毛細力自組裝原理，實現了 MCF-7單細胞陣列的高通量原位捕獲。所提方法為不同尺寸細胞的分選、捕獲及原位觀測提供了一種較為簡便的方法，有望應用于生物工程、醫藥分析等領域。后續將基于單細胞原位捕獲方法，開展微結構對單細胞行為特性影響的表征和細胞限域生長特性的相關研究

參考文獻： 中國光學期刊網

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