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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

本文亮點

1 對確定性側(cè)向位移DLD（Deterministic Lateral Displacement）的基本原理和最新進(jìn)展進(jìn)行了全面的整理和討論。

2 回顧了用于粒子分離和檢測的DLD技術(shù)的最新設(shè)計和應(yīng)用。

3 討論了目前DLD的局限性及其在臨床和商業(yè)應(yīng)用中的潛在解決方案。

內(nèi)容簡介

新加坡國立大學(xué)綜合科學(xué)與工程研究生院以及生物醫(yī)學(xué)工程系Yong Zhang課題組在本綜述中詳細(xì)介紹了用于粒子分離和檢測的確定性側(cè)向位移（DLD）技術(shù)。首先，作者全面回顧了DLD的基本原理和最新進(jìn)展，包括原理，設(shè)備設(shè)計和影響臨界直徑的因素。緊接著介紹了DLD用于顆粒分離和檢測的最新應(yīng)用。最后，討論了微流體DLD在各種應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，以及其潛在的解決方案和未來的發(fā)展方向。

懸浮顆粒的分離和檢測在醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域有著至關(guān)重要的應(yīng)用，其中，微流體確定性側(cè)向位移（DLD）技術(shù)由于可以高分辨連續(xù)分離具有特定尺寸、形狀和電荷的顆粒的能力而具有廣泛前景。目前，DLD這種被動微流控顆粒分離技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于從血細(xì)胞到外泌體的各種生物顆粒分離。此外，最新的研究進(jìn)展表明可以使用DLD陣列作為生物分子檢測平臺。本綜述基于DLD模型的基礎(chǔ)研究和分離檢測應(yīng)用，對DLD的最新進(jìn)展進(jìn)行了全面的討論。

圖文導(dǎo)讀

DLD原理微流體DLD技術(shù)中會使用到傾斜的柱陣列，這些柱陣列會產(chǎn)生流體分叉和間隙之間獨特數(shù)量的流線。每個間隙中的總流體通量可以劃分為周期性(N)個，并且對應(yīng)于每個支柱之間的流線數(shù)量。DLD陣列中的粒子流受流體力和柱體障礙物效應(yīng)的影響。當(dāng)粒子位于立柱間隙中時，半徑小于流線第一寬度的粒子將遵循初始流線并以Z字形移動，而大于第一流線寬度的粒子將碰撞到支柱并橫向位移至下一條流線，如圖1a所示。Z字形和位移模式之間的截止尺寸參數(shù)稱為DLD臨界直徑(Dc)。為了開發(fā)具有所需臨界直徑尺寸的DLD陣列，在DLD晶胞上要考慮多個設(shè)計參數(shù)，如圖1c所示。

圖1 (a)確定性測向位移原理：尺寸小于臨界直徑的小顆粒在Z字形方向上移動，而大顆粒在碰撞中以橫向位移模式移動。(b)平行四邊形陣列布局設(shè)計。(c)旋轉(zhuǎn)的方形陣列布局設(shè)計。每個DLD單位單元上都有設(shè)計參數(shù)。

▍影響DLD臨界直徑的因素

臨界直徑的控制和調(diào)整對于設(shè)計針對特定應(yīng)用的DLD設(shè)備至關(guān)重要。有一些因素會影響DLD的臨界直徑，包括設(shè)備的幾何參數(shù)，與流體有關(guān)的力，顆粒引起的作用，表面相互作用和外部施加的力等等。一些研究已經(jīng)展示了不同形狀的立柱對立柱周圍的流體動力學(xué)及其臨界直徑的影響。比如與常規(guī)的圓形立柱相比，其他的立柱形狀，包括機(jī)翼形狀，三角形，I形，L形及其變體，如圖2a所示，由于間隙上的速度分布不對稱，他們的臨界直徑尺寸可以減小。

圖2 幾何形狀對臨界直徑的影響。(a)各種DLD柱形設(shè)計。(b)優(yōu)化后的支柱結(jié)構(gòu)對流剖面速度的影響，因此改變了DLD臨界直徑。(c)對平行四邊形和旋轉(zhuǎn)的正方形陣列的各向異性滲透率值進(jìn)行比較。(d)由于平行四邊形陣列的各向異性磁導(dǎo)率，推動區(qū)域的綠色磁珠位移軌跡出現(xiàn)偏差。

▍DLD的顆粒分離應(yīng)用

基于尺寸的微粒分離

DLD分離的一項著名應(yīng)用是血液學(xué)檢測工具的開發(fā)。DLD將復(fù)雜而昂貴的血細(xì)胞分離替換為便宜而高效的芯片分離。例如，便宜的塑料DLD微芯片可以直接分離白細(xì)胞，而無需任何其他人工處理，回收率達(dá)到輸入白細(xì)胞的88％，如圖3a所示。在另一項工作中，結(jié)合了菱形柱的DLD鏡像陣列用于處理單采血液制品，其細(xì)胞恢復(fù)率達(dá)到80％，血小板清除率達(dá)到87％。此外，與傳統(tǒng)方法相比，DLD分離將更多的細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)門-中心記憶表型，且變異較小，這有利于下游細(xì)胞加工和生產(chǎn)治療性細(xì)胞。除了血細(xì)胞分離外，DLD技術(shù)在癌癥研究中也做出了巨大貢獻(xiàn)，特別是對于循環(huán)腫瘤細(xì)胞(CTC)的分離，如圖3b所示。除顆粒分級分離外，DLD基于顆粒尺寸的分離還可用于緩沖液交換和標(biāo)記，如圖3c所示。該設(shè)計大大縮短了處理時間，并減少了污染的機(jī)會。

圖3 基于尺寸的DLD分離的應(yīng)用。(a)用于白細(xì)胞自動處理的微流體DLD鏡像陣列的設(shè)計。(b)基于大小和不對稱性分離循環(huán)腫瘤細(xì)胞團(tuán)的雙階段DLD設(shè)計。(c)用于化學(xué)處理和洗滌的微流體DLD芯片。(d)納米DLD中的密集陣列顯示了不同納米直徑和間隙尺寸之間的碰撞模式。

基于尺寸的納米顆粒分離

DLD已經(jīng)廣泛用于分離微米級顆粒，但是僅有少數(shù)設(shè)計可用于分離納米顆粒。由于分子的納米級尺度，DNA，蛋白質(zhì)和外泌體的分離目前仍具有很大挑戰(zhàn)性。另一方面，只有通過對樣品施加外力或化學(xué)處理，才能用微型陣列分離生物分子(如DNA分子)。例如，使用外加電場的DLD分離人工細(xì)菌染色體。隨著納米制造技術(shù)的進(jìn)步，DLD現(xiàn)在可以根據(jù)納米粒子的大小精確而高效地對其進(jìn)行分類和富集。Wunsch等人用其納米加工方法將DLD轉(zhuǎn)換為真正的納米級。他們加工出間隙尺寸為25至235nm的DLD陣列，可以對尺寸在20至110nm之間的納米顆粒和外泌體進(jìn)行分選，如圖3d所示。

基于形狀的分離的應(yīng)用

由于DLD柱陣列上粒子方向的動態(tài)變化，粒子的形狀或形態(tài)會影響DLD中的粒子軌跡。有研究報道了一種利用重力驅(qū)動的DLD可以進(jìn)行基于形狀的顆粒分離，分離出具有不同幾何形狀的粒子，包括立方體，圓柱體，四面體，球體，金字塔。通過形態(tài)分離顆粒的能力至關(guān)重要，因為某些生物顆粒具有非球形形狀，如圖4a所示。此外，通過將幾個不同深度的DLD陣列組合成一系列裝置，可以快速且準(zhǔn)確的檢測血液中的錐蟲，該方法利用錐蟲的不規(guī)則形狀進(jìn)行分離，如圖4b所示。在最近的一項研究中，研究人員設(shè)計了一種DLD陣列，根據(jù)細(xì)菌鏈長將人類細(xì)菌性病原體，肺炎鏈球菌，分為不同的亞群(圖4c)。分離可以對細(xì)菌的不同形態(tài)和鏈長與其致病機(jī)制之間的關(guān)系進(jìn)行更詳細(xì)研究。

圖4 基于形態(tài)的DLD分離的應(yīng)用。(a) I型DLD中紅細(xì)胞和桿狀細(xì)菌的分離。(b)在一系列裝置中使用不同的裝置深度根據(jù)形狀將紅細(xì)胞和錐蟲分離。(c)通過不同的細(xì)菌鏈長分離細(xì)菌病原體。

▍DLD的挑戰(zhàn)和潛在解決方案

DLD技術(shù)自2004年問世以來已經(jīng)發(fā)展了十多年。盡管DLD已被證明是一種具有多種應(yīng)用的高分辨率的通用顆粒分離方法，但使用DLD仍然存在一些局限性，這主要是由于低通量，支柱堵塞和過于龐大的DLD裝置等問題。然而，這些局限性正不斷得到解決，使DLD成為商業(yè)應(yīng)用的理想分析工具。

低通量問題

由于DLD陣列使用許多柱狀結(jié)構(gòu)，因此與其他微流體技術(shù)相比，微流體DLD的流體阻力較高，這限制了DLD在大體積樣品分離中的應(yīng)用。據(jù)報道，有幾種方法可以提高生產(chǎn)率。使用僅具有幾個支柱結(jié)構(gòu)的稀疏支柱陣列和基于篩子的橫向位移能夠提高DLD的吞吐率，但是需要對陣列設(shè)計進(jìn)行額外的調(diào)整以平衡壓力以防止粒子分離的中斷。目前也有報道通過微流體DLD設(shè)備的堆疊和并行化以提高吞吐率。

DLD裝置簡化

盡管DLD芯片設(shè)計通常在顯微鏡載玻片的尺寸，并且可以低成本大量生產(chǎn)，但它們?nèi)匀恍枰糜诒盟土黧w的昂貴，笨重和高功耗的壓力控制，用于成像的實驗室顯微鏡和用于數(shù)據(jù)分析的計算機(jī)系統(tǒng)。這些要求阻礙了在沒有實驗室設(shè)置的偏遠(yuǎn)地區(qū)實施DLD。因此，為了在低資源配置地區(qū)進(jìn)行即時診斷，DLD的設(shè)置需要簡化，以創(chuàng)建便攜式，耗電少且低成本的解決方案。一些研究人員通過開發(fā)一種用帶有控制閥的一次性注射器作為壓力發(fā)生器的DLD解決了該問題，該閥可產(chǎn)生減壓空氣，僅通過一個入口即可將流體驅(qū)動到簡單的DLD中，以對不同的顆粒(例如白細(xì)胞，RBC和錐蟲)進(jìn)行分選，如圖5a所示。據(jù)報道，另一種用于開放DLD通道上的基于紙質(zhì)材料的便攜式泵可以驅(qū)動MCF-7細(xì)胞與RBC分離，如圖5b所示。通過使用緊湊且低成本的基于智能手機(jī)的檢測平臺可以進(jìn)一步實現(xiàn)微流體DLD裝置的簡化如圖5c所示。

圖5 用于顆粒分離的DLD設(shè)置簡化。(a)使用簡單的基于一次性注射器的泵來驅(qū)動微流體DLD中的流體。(b)應(yīng)用紙泵來驅(qū)動開放的DLD通道中的顆粒分離。(c)使用便攜式智能手機(jī)平臺檢測微流DLD中的運動珠。

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