血液微流控技術：解鎖精準醫(yī)療的新鑰匙

血液，這流淌在人體內(nèi)的生命之河，承載著豐富的生理和病理信息。然而，其復雜的成分——包括大量的紅細胞（RBCs）、稀有的白細胞（WBCs）、血小板以及循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）等，使得直接、高效地分析血液樣本充滿挑戰(zhàn)。微流控技術，憑借其精確操控微升甚至納升級流體的能力，正以前所未有的方式變革著血液分析領域，為快速、低成本、高靈敏度的疾病診斷打開了新的大門。

成功的微流控分析始于恰當?shù)臉颖緶蕚洹Ｑ�液樣本的處理方式主要分為四類：全血、稀釋血、裂解全血和裂解稀釋血。每種方式都對應著不同的微流控策略和挑戰(zhàn)。例如，直接處理全血可以最大程度保留樣本原始信息，但高濃度的紅細胞容易導致微通道堵塞。通過稀釋可以降低樣本粘度，減少細胞間相互作用，但可能稀釋目標分析物。選擇性裂解紅細胞（如使用ACK裂解緩沖液或滲透壓沖擊法）則能有效去除大量RBCs的干擾，凸顯出有核細胞（如WBCs和CTCs），為下游分析如稀有細胞分離或核酸提取鋪平道路。材料選擇和設備滅菌同樣至關重要，聚二甲基硅氧烷（PDMS）雖常用但存在小分子吸附和批次差異問題，而環(huán)烯烴共聚物（COC）等熱塑性塑料提供了更好的化學穩(wěn)定性和可重復性。滅菌方法如高壓蒸汽、紫外（UV）照射或酒精處理需根據(jù)設備材料謹慎選擇，以確保生物相容性和結(jié)果可靠性。

稀釋血液（通常以1:10的比例與磷酸鹽緩沖液PBS混合）是微流控平臺中最常見的樣本類型之一，它能有效降低堵塞風險并穩(wěn)定流體動力學。被動技術，如慣性微流體（IMF），利用流體慣性力使不同大小的細胞在通道中聚焦到特定平衡位置，從而實現(xiàn)高通量的細胞分離。例如，螺旋慣性微流控裝置可成功從小鼠血液中分離CTC，回收率高達69-72%。主動技術則借助外部場，如聲場或離心力，進行精確操控。集成水性兩相系統(tǒng)（ATPS）的離心微流控平臺可實現(xiàn)血液成分的自動分餾。免疫磁選技術，如Prism Chip，通過抗體修飾的磁珠特異性捕獲表面表達特定蛋白（如EpCAM）的CTC，即使是從稀釋血液中也能實現(xiàn)高純度富集。混合技術結(jié)合了被動和主動方法的優(yōu)點，例如將慣性螺旋通道與側(cè)向腔體聲學 transducer（LCAT）結(jié)合，實現(xiàn)了按需、高選擇性的細胞分離。

當分析目標為細胞內(nèi)含物（如DNA、蛋白質(zhì)）時，常采用裂解稀釋血液的策略。被動技術中，多流道微流控裝置可利用尺寸依賴的慣性遷移，在紅細胞被裂解后，將較大的CTC與較小的WBC分離開，純度超過87%。另一種方法將選擇性紅細胞裂解（如使用超純水）與慣性聚焦集成，實現(xiàn)了有核細胞的高通量分離。主動技術則利用電場等外部能量，例如等速電泳（ITP）與重組酶聚合酶擴增（RPA）結(jié)合，可在芯片上完成全血中李斯特菌的裂解、DNA純化和檢測，全過程僅需約75分鐘。此外，集成單細胞提取與電裂解的微流控平臺，可與質(zhì)譜（MS）聯(lián)用，實現(xiàn)對單個紅細胞內(nèi)血紅蛋白鏈的高靈敏度分析。這些方法顯著提升了從復雜血液基質(zhì)中獲取目標分子信息的效率。

為了簡化流程并避免稀釋步驟，直接處理裂解全血（即紅細胞被選擇性裂解而保留有核細胞的未稀釋樣本）的技術日益成熟。被動技術中，慣性微流控立方體（IMF cube）等集成化設備將裂解、存儲和提取模塊整合，實現(xiàn)了白細胞從裂解全血中的自動化分離，提取效率達83.9%，細胞活性高達96.6%。免疫磁選技術在此領域表現(xiàn)突出，例如，用于膿毒癥床旁診斷的微流控生物芯片可通過檢測中性粒細胞CD64表達水平，快速量化免疫反應。著名的CTC-iChip則是一個強大的多階段混合平臺，它結(jié)合了確定性側(cè)向位移（DLD）、慣性聚焦和磁泳技術，能直接從經(jīng)免疫磁珠標記的全血中分離CTC，處理8毫升血液僅需1小時，回收率高達97%，并支持下游分子分析，為癌癥液體活檢提供了強大工具。

最理想的情況是直接處理全血，無需任何稀釋或裂解預處理，這能最大程度保持樣本完整性并簡化工作流程。膜過濾微流控裝置可實現(xiàn)無外部儀器的血漿提取。剪切誘導擴散（SID）效應可用于全血中白細胞的大小依賴性富集。彈慣性微流控方法利用粘彈性流體和慣性力的組合，可實現(xiàn)無標記的細菌從全血中分離，在膿毒癥診斷中潛力巨大。拐點聚焦等慣性微流控技術通過調(diào)節(jié)通道幾何形狀和共流流體，可在未處理全血中高效富集稀有細胞。免疫磁選平臺如CTC-iChip，以及用于連續(xù)分選腫瘤細胞亞群的系統(tǒng)，展示了基于表面標志物表達水平進行高純度細胞分離的能力。盡管存在堵塞、細胞激活、血液非牛頓特性等挑戰(zhàn)，但通過優(yōu)化通道設計、使用生物相容性涂層、開發(fā)封閉系統(tǒng)（如集成連續(xù)過濾的血袋）以及引入人工智能（AI）進行流控優(yōu)化和細胞分類，全血微流控技術正朝著更自動化、集成化和智能化的方向發(fā)展。

當前血液微流控技術仍面臨微血栓形成導致堵塞、剪切應力引發(fā)細胞激活或損傷、樣本穩(wěn)定性、以及血液非牛頓特性影響流場穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)。未來，通過材料創(chuàng)新、設計優(yōu)化（如低剪切幾何結(jié)構(gòu)）、自動化集成（將樣本處理、分離、檢測集成于一體），并結(jié)合人工智能（AI）和機器學習（ML）進行智能流控、設備設計優(yōu)化和細胞圖像識別，將大大推動該領域的發(fā)展。特別是便攜式、低成本設備的開發(fā)，將使精準血液分析更易于在資源有限的環(huán)境和床旁診斷中推廣應用。

微流控技術為血液分析帶來了革命性的變化。通過針對不同的樣本制備策略（全血、稀釋、裂解等）優(yōu)化設計，微流控平臺在細胞分離、稀有細胞檢測和疾病診斷方面展現(xiàn)出巨大潛力。隨著材料科學、流體力學和人工智能等領域的交叉融合，未來的微流控設備將更加智能化、自動化且易于使用，有望在個性化醫(yī)療、即時診斷和全球健康領域發(fā)揮越來越重要的作用，最終將實驗室級別的精準分析帶入尋常百姓家。