我國在《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》當(dāng)中鄭重提出，要加強(qiáng)微流控、高靈敏等生物檢測技術(shù)的研發(fā)。單細(xì)胞分析是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)研究的核心技術(shù)瓶頸，其核心挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞的高效捕獲、無損操控和可控釋放。其中細(xì)胞捕獲技術(shù)及精準(zhǔn)控溫技術(shù)是單細(xì)胞分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要目的是將單個細(xì)胞從復(fù)雜的生物樣本中分離出來，以便進(jìn)行后續(xù)的生物及低溫醫(yī)學(xué)研究，對癌癥等重大疾病的早期診斷及治療、藥物篩選和生理病理過程的研究具有重要意義。微流控芯片作為細(xì)胞捕獲技術(shù)的重要技術(shù)手段，能夠精確控制單細(xì)胞的微環(huán)境，實(shí)時監(jiān)測單細(xì)胞的行為，但其自主調(diào)控性差，不能匹配不同細(xì)胞尺寸的性質(zhì)，限制了在細(xì)胞捕獲技術(shù)上的應(yīng)用。而溫度敏感型水凝膠作為一種能夠通過響應(yīng)溫度變化產(chǎn)生體積變化的水凝膠材料，在藥物遞送、信息加密、軟體機(jī)器人等方面有廣泛的應(yīng)用潛力。因此本項(xiàng)目希望尋找到一種優(yōu)良的溫敏性水凝膠材料、設(shè)計出高效的微流道細(xì)胞捕獲模型以響應(yīng)“十四五”戰(zhàn)略需求，推動醫(yī)工交叉課題的發(fā)展。

本項(xiàng)目分從微流控捕獲流道和水凝膠材料優(yōu)化兩個維度開展研究，每個維度均采用仿真模型設(shè)計和實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方式來推進(jìn)項(xiàng)目。在微流控流道設(shè)計方面，通過計算機(jī)建模技術(shù)對冷卻流道和細(xì)胞捕獲流道進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并進(jìn)行流道模型實(shí)物驗(yàn)證，開發(fā)高效微流控溫控系統(tǒng)并創(chuàng)新細(xì)胞捕獲流道設(shè)計。在水凝膠制備優(yōu)化方面，通過溶劑工程和定向冷凍工藝優(yōu)化溫度敏感性水凝膠的機(jī)械性能和熱響應(yīng)性能，并通過計算機(jī)仿真軟件驗(yàn)證溫度敏感性水凝膠控制流體流量以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞捕獲的功能。最終將兩個維度相結(jié)合，設(shè)計出使用溫度敏感性水凝膠為材料的微流控細(xì)胞捕獲流道。

（1）   開發(fā)高效微流控溫控系統(tǒng)和智能溫控程序: 通過計算機(jī)建模技術(shù)對冷卻流道進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)合流體動力學(xué)仿真與熱傳導(dǎo)模擬，設(shè)計出具有快速均勻降溫特性的微流控芯片。并通過芯片實(shí)體測試與虛擬仿真的雙重驗(yàn)證，確定最優(yōu)溫度控制方案，實(shí)現(xiàn)從細(xì)胞捕獲到釋放的全流程精準(zhǔn)控溫。

（2）   創(chuàng)新細(xì)胞捕獲流道設(shè)計: 基于仿生學(xué)原理改良微流道幾何構(gòu)型，結(jié)合光刻成型技術(shù)構(gòu)建水凝膠三維結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計特殊截面形狀的微通道，在流體作用下形成有利于細(xì)胞定位的物理場，同時利用水凝膠的熱響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)溫和的細(xì)胞釋放。

（3）   改進(jìn)溫敏性水凝膠性能: 改良傳統(tǒng)水凝膠制備工藝，通過溶劑工程配比優(yōu)化和引入有機(jī)添加物，顯著提升材料的機(jī)械性能與溫度響應(yīng)速度。并通過精準(zhǔn)調(diào)控低臨界溶解溫度（LCST）使得新型水凝膠將具備類極好的生物相容性，似生物組織的柔韌性，在37℃附近實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，確保細(xì)胞活性的同時提高捕獲效率。

（4）   開發(fā)新型水凝膠制備體系: 創(chuàng)新性引入定向冷凍技術(shù)，通過控制冰晶生長方向構(gòu)建各向異性多孔結(jié)構(gòu)。增強(qiáng)水凝膠的機(jī)械穩(wěn)定性，形成有利于細(xì)胞黏附的表面特性，使材料在溫度調(diào)控下表現(xiàn)出更靈敏的形變響應(yīng)。

（5）   構(gòu)建溫敏水凝膠仿真模型：對溫敏水凝膠流道捕獲流道使用ANSYS進(jìn)行仿真模型驗(yàn)證，探究流道孔徑和流道底部溫度與均溫性對捕獲效果的影響，并最終確定水凝膠流道的設(shè)計方案。

（6）   水凝膠捕獲流道制作：通過多層倒模等實(shí)驗(yàn)手段刻印水凝膠內(nèi)部流道，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其在不同溫度下對流道流量的控制效果以及細(xì)胞捕獲的效率。