新型微射流微流控递送平台，实现多类型细胞转染

更新时间：2026-08-28

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大分子的细胞内递送是细胞转染、基因治疗和细胞治疗的关键步骤，该过程是再生医学的技术基础，具有广阔的应用前景。随着微制造和纳米制造技术的不断进步，微流控平台迅速成熟，并被视为下一代细胞内递送的主流候选技术。然而，现有基于微流控的机械穿孔策略通常受限于需针对特定细胞类型和尺寸重新设计器件结构的问题，这使得在维持高通量操作的同时难以适配细胞异质性，从而限制了相关技术的转化潜力。

针对当前存在的瓶颈，深圳北理莫斯科大学、上海大学及莫斯科大学的联合研究团队开发了一种基于电磁驱动的零净质通量（ZNMF）微射流微流控递送平台。该平台利用磁性复合薄膜的周期性振动，在微腔内诱发高可控性的局部微射流，瞬时拉伸细胞膜，形成短暂通透性通道，从而实现大分子物质的高效递送。与传统的细胞挤压相比，该技术不依赖细胞尺寸与芯片通道精细匹配，无需鞘流辅助操作，具备高适应性、强可调性与低堵塞风险。

相关研究成果已经以“Zero-net mass-flux jet microfluidic delivery platform for multitype cell transfection"为题发表于《Physics of Fluids》期刊。

图1. 基于ZNMF的微射流微流控递送平台设计和结构细节。（a）平台工作原理示意图；（b）聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片的照片；（c）微射流喷嘴的结构；（d）线圈支撑框架用于确保每次实验期间磁芯和振动膜之间的一致行间距；（e）和（f）线圈支撑的横截面图。

该微射流微流控递送平台的微流道和基底结构是由摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch^® S140，精度：10 μm）打印阳模后，经PDMS翻模而成。为了避免稀释，该平台使用ZNMF射流，其中流体通过小孔交替吸入和排出空腔，以便每个周期的净质量通量为零，而动量仍然传递到周围的流体。在该设计中，研究团队通过微流控集成将这一原理小型化，将流体动力动量精确传递到细胞。

图2. 基于ZNMF的微射流微流控递送平台的实验测试与流场表征。

图3. 计算流体力学（CFD）仿真结果，展示微流控递送平台的工作原理。

实验中，研究团队实现了对HL-60等多种细胞类型的高效递送。在优化的操作条件下（主通道流速10 μL/min、激发频率88.5 Hz、电流2.5 A），HL-60细胞的递送效率约为43%，同时存活率保持在85%以上。值得注意的是，即使细胞直径差异超过40%，仍能实现有效递送和高细胞存活率。数值模拟进一步表明，该装置可在射流区域内将主导的弹性应力瞬时放大四倍以上，从而构建出高度局部化的机械环境，促进细胞膜的瞬时通透。

图4. 微流控递送平台的机械穿孔性能。

为进一步评估不同细胞类型的通用性，研究团队采用与HL-60细胞相同的ZNMF器件，测试了两种贴壁小鼠细胞系MS1和β-TC-6，二者的平均直径相差约40%。三种细胞在相同条件下表现出不同的转染水平。HL-60的转染率最高（平均约43%），同时细胞存活率良好，表明其在摄取与存活之间达到了理想的平衡。β-TC-6和MS1的转染率分别达到约20.7%和17.1%，对应细胞存活率分别为约75.9%和75.1%。这些结果表明，作为一种非接触式物理转染方法，ZNMF无需重新设计芯片来适配细胞大小或力学特性。尽管绝对转染效果受细胞膜力学特性和形态影响，但该平台整体展现出良好的跨细胞类型兼容性。

与已有研究报道相比，该研究的转染效率仍有提升空间。研究团队将这一差距归因于磁性膜执行器难以克服较高的液压背压，从而限制了射流出口速度。值得注意的是，这一局限性为器件优化指明了方向。用压电堆叠执行器替代磁性膜，将显著提高射流速度的可调性与均匀性，实现对波形更精细的调控，同时保持器件紧凑的体积，进而使细胞膜机械穿孔过程更加稳定。

总结：该研究开发了一种电磁驱动的ZNMF微射流微流控递送平台，可在微尺度下实现大分子向细胞内的递送。该平台将芯片几何结构与细胞尺寸解耦，降低了现有微流控机械穿孔技术中固有的细胞-器件耦合效应。该平台在实现分子递送的同时，维持了较高的细胞活性，并达成了稳定的递送效率。此外，该平台还展现出优异的适应能力以及在多种细胞类型和粒径下的递送性能，为生物医学诊断、转染和药物递送等应用提供了一种全新的技术方案。

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