微米与纳米级生物颗粒的高效分离，是临床诊断、生化分析、药物研发、食品化工与环境监测领域的核心基础环节。长期以来，主流的生物分离技术以膜过滤法为核心，但该方法受膜孔径、表面电荷密度、生物相容性等固有缺陷限制，始终存在分离分辨率不足的行业痛点。传统生物分离方案可分为免疫学与物理技术两大体系，免疫学方法虽具备高选择性，但易造成细胞活性下降，且操作流程繁琐、耗时久、检测成本高；物理方法虽操作更简便、处理速度更快，却存在分辨率与选择性不足的短板。
在此背景下，基于 MEMS 加工与微纳加工技术发展起来的微流控芯片技术，凭借低样品消耗、便携性高、制造成本低、无菌性好、处理速度快、易与下游分析组件集成等多重优势，成为生物分离领域的技术突破方向。目前主流的微流控分离设备可分为主动式与被动式两大类，主动式系统以磁泳、介电泳、声泳、光镊技术为核心，可实现对目标颗粒的精准操控与实时调控，但流体处理速度受外场作用限制；被动式设备则完全依赖微通道几何结构与流体动力学效应，包括确定性侧向位移、 pinched 流分级、惯性微流控技术，其中螺旋惯性微流控技术，更是凭借无标记分选、高通量、高生物相容性的特点，成为生物颗粒分离领域的前沿研究焦点。
1. 螺旋惯性微流控技术的核心原理与技术优势
螺旋惯性微流控的分离效果，主要受惯性迁移与二次流两大核心因素调控。惯性迁移效应源于两种相互制衡的惯性作用：一是由流体速度剖面曲率引发的剪切梯度诱导升力，推动颗粒远离通道中心；二是壁面诱导升力，推动颗粒向通道中心移动，两种力的平衡会让颗粒在微通道内完成横向迁移，最终聚焦到固定的平衡位置。而螺旋形微通道内会形成迪恩涡二次流，该流场会与惯性升力形成协同作用，让不同尺寸、不同形貌的生物颗粒在通道内形成差异化的平衡位置，最终在不同出口实现高效分离，这也是该技术实现无标记、无损分选的核心理论基础。
图1 a 英国皇家化学会版权所有，2011年，基于表面驻波的示意图。d 聚焦叉指换能器系统激发的分选仪示意图。经英国皇家化学会许可重印自文献[41]，版权2015年，微流控通道中通过负向微漩涡实现无标记颗粒分离的示意图。b 微流控器件结构及其工作机制的示意图，该器件以聚二甲基硅氧烷制成，包含柱阵列结构。图中展示了颗粒分别在正向和负向介电泳作用下的状态。经英国皇家化学会许可重印自文献[42]，版权2020年。c 光镊技术进行细胞表征流程的示意图。经爱思唯尔许可重印自文献[45]，版权2018年。f (i) 采用压力泵的常规压力流分级示意图，以及(ii) 采用离心泵的密度依赖性压力流分级系统示意图。经英国皇家化学会许可重印自文献[46]，版权2008年
通过粒子分离从血液样本中实现的潜在微流控系统 图2 示意图
相比其他微流控技术，螺旋惯性微流控芯片具备不可替代的应用优势。其一，设备操作简单，通道设计简洁，仅需调控流体流速即可实现分离效果，无需搭建复杂的外场设备；其二，具备超高的样品处理通量，可大幅缩短实验与检测周期，且整个处理过程不会影响生物分子与细胞的活性，完美适配生物医药领域的应用需求。基于 PDMS、PMMA、COC 等生物相容性材料制备的螺旋微流控芯片，可通过成熟的 PDMS 芯片加工、微流控芯片定制工艺，根据目标生物颗粒的尺寸、形貌进行通道结构的个性化设计，矩形、梯形等不同截面的螺旋通道，可适配从病毒、细菌到细胞、藻类等不同尺度的生物颗粒分离需求。
2. 螺旋惯性微流控技术在生物领域的多元化应用场景
螺旋惯性微流控技术的应用已覆盖生殖医学、临床诊断、细胞生物学、环境与生物能源等多个领域，形成了成熟的技术应用体系。
图3 血液样本的惯性微流控生物颗粒分离概述。a 示意图展示了一套用于从血液样本中分离循环肿瘤细胞（CTCs）的全集成级联螺旋微流控系统。经AIP出版社转载自文献[68]，版权所有2014。b 螺旋形微流控通道的光学图像以及细胞捕获段的显微图像。经Elsevier转载自文献[67]，版权所有2018。c 用于从病毒颗粒和游离核酸中分离宿主细胞的螺旋通道系统示意图。经美国化学会转载自文献[79]，版权所有2018。d 采用带有通用Y形出口系统的螺旋惯性微流控装置从稀释的全血中分离血浆的工作原理示意图。经Springer转载自文献[81]，版权所有2015。e 用于从稀释血液中回收多形核白细胞（PMNs）和单个核白细胞（MNLs）的梯形截面螺旋通道示意图。经美国化学会转载自文献[86]，版权所有2012
在生殖医学领域，螺旋微流控系统为辅助生殖技术提供了全新的样本处理方案。基于该技术开发的精子筛选芯片，可实现精子样本的无标记分离、分选与分析，分选过程不依赖精子活力，能高效将精子与红细胞、白细胞分离，相关研究中实现了 81% 的精子富集率与 99% 的红细胞去除率，优化后的螺旋通道还可实现 50% 的通量提升，适配临床活检样本中稀有精子的高效回收，精子回收率最高可达 95.6%，同时去除 87.4% 的非精子细胞，大幅提升了辅助生殖的样本处理效率。
图4 用于干细胞和精子分离的微流控装置示意图（英国皇家化学会2015年重印自文献[99]，版权所有；a 细胞周期同步的细胞分离；施普林格2017年重印自文献[100]，版权所有；c 神经干细胞；英国皇家化学会2011年重印自文献[98]，版权所有；b 从化学解离的神经球中分离单细胞和细胞簇；英国皇家化学会2015年重印自文献[104]，版权所有；d 从精液样本中分离精子细胞）
在临床诊断领域，该技术为病原体快速检测提供了核心支撑。传统病原体检测以琼脂培养法为主，存在检测周期长的短板，而螺旋惯性微流控系统可实现无标记的病原体高效富集与分离。基于 PMMA-PDMS 复合材质的螺旋微通道，可实现微米级微生物颗粒 90% 以上的富集准确率，结合介电泳技术的双螺旋微流控芯片，可完成不同形貌微生物的连续分选；针对血液样本中的真菌细胞，惯性真菌聚焦芯片可在 400μL/min 的最优流速下实现 95% 以上的目标菌回收，同时完成样本浓缩，适配脓毒症等感染性疾病的快速检测；在病毒检测领域，闭环螺旋微流控系统可高效分离宿主细胞与病毒颗粒、游离核酸，为病毒基因组测序、核酸检测前处理提供了高效方案，还可与 RT-PCR、ELISA 等检测技术集成，实现病原体的 “分离 – 检测” 一体化。
在细胞生物学与再生医学领域，螺旋惯性微流控技术可高效完成干细胞、循环肿瘤细胞等稀有细胞的无损分选，为细胞治疗、再生医学研究提供高质量样本来源。基于该技术开发的细胞分选芯片、细胞培养芯片，可与 3D 细胞培养芯片、类器官芯片体系深度结合，完成分选后细胞的原位培养与功能分析，推动器官芯片、类器官模型在药物筛选、疾病建模领域的规模化应用。
在环境与生物能源领域，该技术为微藻分离纯化提供了全新方案。微藻是生物能源、食品、医药领域的重要原料，传统离心、过滤等分离方法操作繁琐、易造成样本污染，而螺旋惯性微流控芯片可实现不同藻类的高效分离，五环矩形截面螺旋通道可实现小球藻与雨生红球藻 100% 的分离效率，六环梯形截面螺旋装置对微藻的分离效率超 98%，同时解决了传统微藻处理中的通道堵塞问题，为微藻规模化培养与生物能源产业化提供了技术支撑。
图5 用于非生物微粒分离的惯性微流控系统应用概述。a 拉伸椭球形微粒与细菌的扫描电子显微图：(i) 原始尺寸6微米的拉伸椭球形微粒，(ii) 原始尺寸4微米的拉伸椭球形微粒，(iii) 花生形微粒，(iv) 枯草芽孢杆菌（B. subtilis）。b 单入口双出口微流控螺旋通道的示意图。放大区域展示了带有迪恩涡旋（橙色箭头）的通道截面。在螺旋通道末端，以流速分别捕获到内壁和外壁处的图像。四种幼虫阶段（L1–L4）虫卵在5至66流速下的平均分离效率分别为97%、88%和92%。转载自英国皇家化学会《参考文献[147]》，版权所有2018年。d 螺旋通道内微粒分选的实验装置(i)、本研究中使用的三种不同尺寸藻类的显微图(ii)、通道横截面示意图(iii)，以及结合芯片装置与两种截面视图的虫卵和蠕虫混合物分选过程的240张图像示例(iv)。转载自美国物理联合会出版社《参考文献[5]》，版权所有2018年。c 螺旋通道横截面示意图，展示了分选后虫卵和蠕虫分别沿通道内壁和外壁聚焦的状态。微粒/藻类的归一化分布数据转载自施普林格《参考文献[148]》，版权所有2016年。
3. 螺旋惯性微流控技术的产业化挑战与未来发展方向
图6 用于藻类分离的惯性微流控细胞示意图，(I) 无出口修饰通道（Ch.A），(II) 分离过程。a 螺旋通道装置。转载自文献[162]，施普林格出版社，2023年版权。出口修饰通道（Ch.A.MOD）转载自文献[163]，威利出版社，2020年版权。b 4、6和10微米颗粒的分离。c 普通小球藻呈球形，直径范围为2至10微米（i），而鼓藻呈圆形，横截面位于正中央（ii）。(i) 单入口双出口螺旋微通道，(ii) 微通道横截面图像，(iii) 俯视图。d 该微流控芯片的设计理念基于微液滴生成原理，依据微通道高度和系统内部各部件的位置确定。(iv) 无出口修饰通道（Ch.A.MOD）的出口设计：在分叉前为出口增加了一段长度为600微米的宽段，以实现高通量颗粒分离；4、6和10微米颗粒分离的通道出口示意图。转载自文献[73]，MDPI出版社，2018年版权。
尽管螺旋惯性微流控技术在实验室研究中取得了大量突破，但其规模化产业化应用仍面临诸多挑战。首先是芯片制备的成本与工艺门槛，微流控芯片的制备依赖高精度的微纳加工平台、光刻机、深硅刻蚀等 MEMS 加工设备，PDMS 芯片制备需要配套的等离子键合机、键合对准平台、烘箱、热板等专用设备，微纳加工与流片工艺的门槛，限制了芯片的规模化量产与成本控制；其次，针对真实临床样本、工业原料的复杂体系，芯片的分离稳定性、抗污染能力仍需进一步优化，通道尺寸、截面几何结构、材料特性对分离性能的影响机制，仍需更深入的理论研究支撑。
从产业发展来看，螺旋惯性微流控技术具备极高的商业化潜力。一方面，微流控芯片代工、MEMS 代工行业的成熟，可大幅降低芯片的定制化加工成本，PDMS、COC、PMMA 等材料的注塑量产工艺，也为芯片的规模化生产提供了可能；另一方面，该技术可与微流控类器官芯片、器官芯片加工平台、单细胞分析系统深度集成，拓展在精准医疗、体外诊断、药物研发领域的商业化应用场景。未来，随着微纳加工技术的不断进步，以及对颗粒流动机理研究的持续深入，螺旋惯性微流控技术将逐步实现从实验室研究到工业化、临床化应用的跨越，成为生物颗粒分离、生物分析领域的核心主流技术。
参考文献：https://doi.org/10.1007/s13206-023-00131-1
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