红细胞（RBC）的流变特性对人类健康至关重要。将光镊与微流体相结合，为研究RBC流变学提供了一种非接触式、灵敏和高通量的方法。然而，光镊的有限捕获能力限制了微通道内的红细胞流动，从而降低了单个红细胞的捕获效率。
近期，江苏师范大学刘莹教授、王静静博士与西交利物浦大学芯片学院院长陈伟教授合作，提出了一种结合多通道微流控芯片和光镊技术的高效方法，用于非接触、高通量地表征红细胞流变特性，并通过压力释放结构和图像分析实现正常与病变红细胞的定量检测，为相关疾病诊断提供潜在指导。相关研究以“Efficient characterization of red blood cell rheological properties using a multichannel microfluidic chip and optical tweezers”为题目，发表在期刊《Materials Today Advances》上。
本文要点：
1、本研究结合多通道微流控芯片与光镊技术，提出了一种高效、非接触式RBC流变特性表征方法。
2、通过设计带有压力释放结构的多通道微流控芯片，并结合时分复用的光镊技术，实现了多通道内RBC的同时捕获与分析。
3、图像识别分析显示，正常与病变RBC在形态上存在显著差异，与有限元模拟结果一致。
4、该方法提高了光镊测量的样本通量，能够有效检测模拟病变状态的RBC，为与RBC硬化相关的疾病诊断提供了潜在的病理学见解和指导。
使用光学镊子研究红细胞流变学的优势主要包括以下几点：
1、非接触式测量：光学镊子可以非接触地捕获和操纵单个红细胞，避免了传统方法如微管吸吮等可能对细胞造成的机械损伤。
2、高时间分辨率：光学镊子可以实时监测红细胞在流场中的变形过程，提供了高时间分辨率的动态信息。
3、高空间分辨率：光学镊子可以精确地控制和测量作用在单个红细胞上的微小力学力，从而获得细胞力学特性的定量信息。
4、高通量分析：本文提出的多通道微流控芯片结合光学镊子技术，可以实现对多个红细胞的同时捕获和分析，大幅提高了测量的样本通量。
5、模拟病变状态：通过化学处理手段，可以制备模拟病变状态的红细胞样品，利用光学镊子技术对其进行定量表征，为相关疾病的诊断提供潜在的病理学见解。
综上所述，光学镊子技术结合微流控芯片为研究红细胞流变学提供了一种高效、灵敏、非接触的创新方法，在提高测量效率和精度的同时，还能够揭示红细胞在疾病状态下的力学特性变化，为临床诊断应用提供了新的技术手段。
多通道微流控芯片通过以下方式提高了红细胞的捕获效率：
1、压力释放结构：芯片设计了压力释放通道，用于调节捕获通道中心的流速，避免流速过高导致红细胞逃逸，或流速过低导致红细胞堆积，从而优化了捕获效率。
2、通道尺寸优化：捕获通道的宽度设计为红细胞直径的1.5倍（12 μm宽，10 μm深），确保红细胞单个通过通道并进入光学势阱，避免多细胞重叠捕获或逃逸。
3、倾斜矩形阵列：在捕获入口处加入倾斜矩形阵列，用于分流较大的颗粒或多余的红细胞进入压力释放通道，防止红细胞堆积或阻塞捕获通道。
4、多通道结构：芯片采用多通道设计，结合光镊的时间分割复用技术，实现了多通道内红细胞的同时捕获，大幅提高了样本通量。
通过这些设计，芯片显著提升了光镊捕获红细胞的效率和稳定性，同时保证了实验的高通量和高精度。
图1.通道结构和流场模拟。
图2.光镊-微流体平台示意图。
图3.微流控芯片结构和多通道红细胞捕获。
图4.微通道中细胞的位移和光学捕获形态。
图5.图像处理工作流程。
图6.红细胞流变形态学特征的统计分析。
图7.红细胞流场建模。
图8.流场力和细胞变形的计算。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2024.100545
