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DLD知多少?新加坡NSU综述带你了解微流控生物医学新技术!

原创: 纳微快 nanomicroletters

DLD知多少?新加坡NSU综述带你了解微流控生物医学新技术! 

A Review on Deterministic Lateral Displacement for Particle Separation and Detection

Thoriq Salafi, Yi Zhang, Yong Zhang*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 77

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0308-7

本文亮点

1 确定性侧向位移DLDDeterministic Lateral Displacement)的基本原理和最新进展进行了全面的整理和讨论。

2 回顾了用于粒子分离和检测DLD技术的最新设计和应用。

3 讨论了目前DLD的局限性及其在临床和商业应用中的潜在解决方案

内容简介

新加坡国立大学综合科学与工程研究生院以及生物医学工程系Yong Zhang课题组在本综述中详细介绍了用于粒子分离和检测的确定性侧向位移(DLD)技术。首先,作者全面回顾了DLD的基本原理和最新进展,包括原理,设备设计和影响临界直径的因素。紧接着介绍了DLD用于颗粒分离和检测的最新应用。最后,讨论了微流体DLD在各种应用中面临的挑战,以及其潜在的解决方案和未来的发展方向。

悬浮颗粒的分离和检测在医学诊断等领域有着至关重要的应用,其中,微流体确定性侧向位移(DLD)技术由于可以高分辨连续分离具有特定尺寸、形状和电荷的颗粒的能力而具有广泛前景。目前,DLD这种被动微流控颗粒分离技术,已广泛应用于从血细胞到外泌体的各种生物颗粒分离。此外,最新的研究进展表明可以使用DLD阵列作为生物分子检测平台。本综述基于DLD模型的基础研究和分离检测应用,对DLD的最新进展进行了全面的讨论。

图文导读

DLD原理微流体DLD技术中会使用到倾斜的柱阵列,这些柱阵列会产生流体分叉和间隙之间独特数量的流线。每个间隙中的总流体通量可以划分为周期性(N)个,并且对应于每个支柱之间的流线数量。DLD阵列中的粒子流受流体力和柱体障碍物效应的影响。当粒子位于立柱间隙中时,半径小于流线第一宽度的粒子将遵循初始流线并以Z字形移动,而大于第一流线宽度的粒子将碰撞到支柱并横向位移至下一条流线,如图1a所示。Z字形和位移模式之间的截止尺寸参数称为DLD临界直径(Dc)。为了开发具有所需临界直径尺寸的DLD阵列,在DLD晶胞上要考虑多个设计参数,如图1c所示。

图1 

1 (a)确定性测向位移原理:尺寸小于临界直径的小颗粒在Z字形方向上移动,而大颗粒在碰撞中以横向位移模式移动。(b)平行四边形阵列布局设计。(c)旋转的方形阵列布局设计。每个DLD单位单元上都有设计参数。

影响DLD临界直径的因素

临界直径的控制和调整对于设计针对特定应用的DLD设备至关重要。有一些因素会影响DLD的临界直径,包括设备的几何参数,与流体有关的力,颗粒引起的作用,表面相互作用和外部施加的力等等。一些研究已经展示了不同形状的立柱对立柱周围的流体动力学及其临界直径的影响。比如与常规的圆形立柱相比,其他的立柱形状,包括机翼形状,三角形,I形,L形及其变体,如图2a所示,由于间隙上的速度分布不对称,他们的临界直径尺寸可以减小。

图2 几何形状对临界直径的影响 

2 几何形状对临界直径的影响。(a)各种DLD柱形设计。(b)优化后的支柱结构对流剖面速度的影响,因此改变了DLD临界直径。(c)对平行四边形和旋转的正方形阵列的各向异性渗透率值进行比较。(d)由于平行四边形阵列的各向异性磁导率,推动区域的绿色磁珠位移轨迹出现偏差。

DLD的颗粒分离应用

基于尺寸的微粒分离

DLD分离的一项著名应用是血液学检测工具的开发。DLD将复杂而昂贵的血细胞分离替换为便宜而高效的芯片分离。例如,便宜的塑料DLD微芯片可以直接分离白细胞,而无需任何其他人工处理,回收率达到输入白细胞的88%,如图3a所示。在另一项工作中,结合了菱形柱的DLD镜像阵列用于处理单采血液制品,其细胞恢复率达到80%,血小板清除率达到87%。此外,与传统方法相比,DLD分离将更多的细胞转变为T-中心记忆表型,且变异较小,这有利于下游细胞加工和生产治疗性细胞。除了血细胞分离外,DLD技术在癌症研究中也做出了巨大贡献,特别是对于循环肿瘤细胞(CTC)的分离,如图3b所示。除颗粒分级分离外,DLD基于颗粒尺寸的分离还可用于缓冲液交换和标记,如图3c所示。该设计大大缩短了处理时间,并减少了污染的机会。

图3 基于尺寸的DLD分离的应用 

3 基于尺寸的DLD分离的应用。(a)用于白细胞自动处理的微流体DLD镜像阵列的设计。(b)基于大小和不对称性分离循环肿瘤细胞团的双阶段DLD设计。(c)用于化学处理和洗涤的微流体DLD芯片。(d)纳米DLD中的密集阵列显示了不同纳米直径和间隙尺寸之间的碰撞模式。

基于尺寸的纳米颗粒分离

DLD已经广泛用于分离微米级颗粒,但是仅有少数设计可用于分离纳米颗粒。由于分子的纳米级尺度,DNA,蛋白质和外泌体的分离目前仍具有很大挑战性。另一方面,只有通过对样品施加外力或化学处理,才能用微型阵列分离生物分子(如DNA分子)。例如,使用外加电场的DLD分离人工细菌染色体。随着纳米制造技术的进步,DLD现在可以根据纳米粒子的大小精确而高效地对其进行分类和富集。Wunsch等人用其纳米加工方法将DLD转换为真正的纳米级。他们加工出间隙尺寸为25至235nm的DLD阵列,可以对尺寸在20至110nm之间的纳米颗粒和外泌体进行分选,如图3d所示。

基于形状的分离的应用

由于DLD柱阵列上粒子方向的动态变化,粒子的形状或形态会影响DLD中的粒子轨迹。有研究报道了一种利用重力驱动的DLD可以进行基于形状的颗粒分离,分离出具有不同几何形状的粒子,包括立方体,圆柱体,四面体,球体,金字塔。通过形态分离颗粒的能力至关重要,因为某些生物颗粒具有非球形形状,如图4a所示。此外,通过将几个不同深度的DLD阵列组合成一系列装置,可以快速且准确的检测血液中的锥虫,该方法利用锥虫的不规则形状进行分离,如图4b所示。在最近的一项研究中,研究人员设计了一种DLD阵列,根据细菌链长将人类细菌性病原体,肺炎链球菌,分为不同的亚群(图4c)。分离可以对细菌的不同形态和链长与其致病机制之间的关系进行更详细研究。

图4 基于形态的DLD分离的应用。 

4 基于形态的DLD分离的应用。(a) I型DLD中红细胞和杆状细菌的分离。(b)在一系列装置中使用不同的装置深度根据形状将红细胞和锥虫分离。(c)通过不同的细菌链长分离细菌病原体。

DLD的挑战和潜在解决方案

DLD技术自2004年问世以来已经发展了十多年。尽管DLD已被证明是一种具有多种应用的高分辨率的通用颗粒分离方法,但使用DLD仍然存在一些局限性,这主要是由于低通量,支柱堵塞和过于庞大的DLD装置等问题。然而,这些局限性正不断得到解决,使DLD成为商业应用的理想分析工具。

低通量问题

由于DLD阵列使用许多柱状结构,因此与其他微流体技术相比,微流体DLD的流体阻力较高,这限制了DLD在大体积样品分离中的应用。据报道,有几种方法可以提高生产率。使用仅具有几个支柱结构的稀疏支柱阵列和基于筛子的横向位移能够提高DLD的吞吐率,但是需要对阵列设计进行额外的调整以平衡压力以防止粒子分离的中断。目前也有报道通过微流体DLD设备的堆叠和并行化以提高吞吐率。

DLD装置简化

尽管DLD芯片设计通常在显微镜载玻片的尺寸,并且可以低成本大量生产,但它们仍然需要用于送流体的昂贵,笨重和高功耗的压力控制,用于成像的实验室显微镜和用于数据分析的计算机系统。这些要求阻碍了在没有实验室设置的偏远地区实施DLD。因此,为了在低资源配置地区进行即时诊断,DLD的设置需要简化,以创建便携式,耗电少且低成本的解决方案。一些研究人员通过开发一种用带有控制阀的一次性注射器作为压力发生器的DLD解决了该问题,该阀可产生减压空气,仅通过一个入口即可将流体驱动到简单的DLD中,以对不同的颗粒(例如白细胞,RBC和锥虫)进行分选,如图5a所示。据报道,另一种用于开放DLD通道上的基于纸质材料的便携式泵可以驱动MCF-7细胞与RBC分离,如图5b所示。通过使用紧凑且低成本的基于智能手机的检测平台可以进一步实现微流体DLD装置的简化如图5c所示。

图5 用于颗粒分离的DLD设置简化。 

5 用于颗粒分离的DLD设置简化。(a)使用简单的基于一次性注射器的泵来驱动微流体DLD中的流体。(b)应用纸泵来驱动开放的DLD通道中的颗粒分离。(c)使用便携式智能手机平台检测微流DLD中的运动珠。

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