男性生育力评估新方法：凝胶微流控芯片检测精子活力！

受精是卵子和精子融合为一个合子的过程。在这个过程中，精子的质量起到了尤为重要的作用，当前的男性生育力诊断测试主要通过研究精子的浓度、总体积和活力来评估。但是，精子的其他特征，如它的趋化能力，同样会影响受精的可能性。科学家发现人卵泡液含有可引起精子趋化性的物质，如卵泡液主要成分之一的孕酮。

近年来，科学家已经开始使用微流控设备来研究精子的趋化性，现有的大多微流控设备是基于流体的设备，虽然具有良好的可控性和稳定性，但需要泵来驱动流体流动，这可能会影响精子的活动能力。因此，现在亟需开发一种可以快速识别出精子趋化行为中的细微差别的无泵微流控设备。
  近期，荷兰特文特大学的研究人员介绍了一种简单、易于制造的无泵微流控芯片，以评估精子的趋化反应，该芯片由明胶/琼脂糖混合水凝胶制成，不仅可轻松量化芯片中微小的行为差异，同时又能够快速鉴定出精子趋化行为中小的但可重现的差异。研究人员进行了公猪精子的趋化性实验，发现游入右侧腔室（高孕酮）的公猪精子数量比左侧（低孕酮）高，证明了该设备可以进行生育力检测，将有助于更全面地了解一个人的生育能力。相关论文以“Flow-Free Microfluidic Device for Quantifying Chemotaxis in Spermatozoa”为题，发表在《Analytical Chemistry》。

双浇铸法制备水凝胶芯片

微流体芯片由水凝胶通过双重浇铸方法制成。如图1所示，研究人员在Solid Works中设计了用于芯片的阳模，并在3D打印机上打印；然后将聚二甲基硅氧烷（PDMS）倒入图2所示的3D打印的模具中，在60°C下固化得到阴模；再将水凝胶溶液倒入PDMS模具中使其固化；然后从水凝胶上冲入和冲出孔，再填充缓冲液和孕酮溶液并引入精子；最后将水凝胶粘结到载玻片上以防止泄漏。模具包含简单的半3D结构，结构大小适合3D打印，也可以进行微加工，从而使制作过程快速简单。双浇铸方法还意味着可以从一个主模中创建许多模具，制造成本更低，并且可以大规模批量生产。

图1. 芯片设计原理图

图2. 芯片地制作过程

优化芯片成分

研究人员对精子进行了三种不同凝胶（纯琼脂糖、纯明胶、明胶/琼脂糖混合）的生存力分析。结果表明，纯琼脂糖上的精子的活力下降幅度最大；纯明胶对精子活力的影响最小，但明胶结构在37°C下熔化，这是模拟生理条件的最佳温度；因此，选择琼脂糖和明胶的混合物，这种混合形式既可以确保结构的完整性，与纯琼脂糖相比又可以抑制精子死亡。

浓度梯度的形成随后，研究人员研究了芯片中化学梯度的形成，使用荧光素钠盐溶液作为孕酮的模型，由于其分子量相似，因此具有相似的扩散性。结果如图3所示，两小时左右开始形成稳定的梯度；两小时后可以看到精子通道中梯度的线性斜率，至少在20分钟内保持在其初始斜率的2.5％以内。

图3. 荧光素扩散梯度随时间的变化

趋化性测试水凝胶芯片中建立化学梯度后，研究人员用1 ?M与卵丘细胞周围浓度相同的孕酮溶液测试公猪精子的趋化性。将趋化比定义为趋化性的精子数除以向反方向移动的精子数，值>1表明具有化学吸引力；<1表明具有化学排斥力；=1表示没有反应。结果如图4所示，暴露于孕酮梯度的细胞，其趋化比高达1.41，而对照组仅有1.09，表明与其他研究相比，研究人员制备的这种芯片能够更好地测试精子的趋化性。

图4. 公猪精子的趋化比率

本篇文章中，研究人员设计了一种邮票大小的微流控芯片，以测试精子的趋化反应，该芯片采用具有生物相容性和可在生物学温度下工作的明胶/琼脂糖混合水凝胶制成，芯片易于操作，同时可以快速识别出精子趋化行为中微小但可重现的差异，并通过实验证明了该设备能够研究精子的趋化行为，有望为研究其他化学物质的这种作用铺平道路，以便更好地从根本上理解指导机制。高分子科学前沿建立了“凝胶”、“微流控”等交流群，添加小编为好友（微信号：polymer-xiang，请备注：名字-单位-职称-研究方向），邀请入群。原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.9b05183

来源：高分子科学前沿

免责声明：文章来源原创 高分子科学前沿以传播知识、有益学习和研究为宗旨。 转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除。