新型3D打印快速DNA分離微流控磁平臺

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生物樣品的純化或分離，特別是作為生物信息存儲分子的脫氧核糖核酸(DNA)，是許多遺傳學研究、法醫(yī)學、罕見病臨床診斷、癌癥診斷和/或病毒疾病的關鍵和起點。到目前為止，許多不同的技術，如粒徑排除色譜法、離子交換色譜法、親和色譜法、堿性萃取法、鹽析法、濾紙、硅膠基質(凝膠、樹脂或微球)、磁性珠(市面上有填料柱、重力柱、自旋柱、自旋板和磁支架)等，都已被方便地用于分離DNA。

相較于傳統(tǒng)的方法，微流體系統(tǒng)提供小型化的實驗室規(guī)模的應用，允許在幾微米甚至納米的操作，實現(xiàn)更好的準確性，減少分析時間，并提高整個隔離過程的可靠性，同時最大限度地減少交叉污染的風險。在微尺度上精確控制流體的能力為用連續(xù)流動過程和微流體系統(tǒng)中的各種功能組件(如通道、閥門、泵、混合器和傳感器)取代批頂設備開辟了許多可能性。

在這項研究中，我們提出了一種新的磁性平臺，作為在螺旋微流控裝置中操縱超順磁珠快速分離DNA的創(chuàng)新解決方案。建立了一個計算模型來評估永磁體在平臺上的定位和旋轉。

研究內(nèi)容
將超順磁性二氧化硅微顆粒(1mg)加載到基于pdm的微流控芯片中(圖1D)。將負載顆粒的微流控芯片放置在磁性平臺上(圖1A)。磁場是由微流控芯片下的磁體旋轉產(chǎn)生的。注射器泵以所需的流速(5−20 μL/min)將緩沖液送入微流控裝置。每次實驗開始時，用含有6 M Gu-HCl的結合介質1 × TE (10 mM Tris, 1 mM EDTA)緩沖液(pH 6.0)以20 μL/min的速度洗滌2 min，制備分離體系。DNA分離主要通過三個步驟進行:(i)吸附，(ii)洗滌和(iii)洗脫。

圖1  (A) CAD模型及3D打印平臺，(B)平臺的CAD分解圖，(C)用于PDMS成型的金屬模具，(D)微流控芯片(硬幣直徑26.15 mm)。

在15,000、30,000和80,000倍的5、2和1 μm bars的SEM圖像中，磁性二氧化硅顆粒在形貌上分別為球形和單分散，約為6 μm(圖2B)。表面化學成分包含O、Si和Fe原子，其重量分別為51.03、33.02和15.95%(圖2B)。FTIR光譜顯示了磁性硅珠的化學結構如圖2C所示。1060 cm−1處的峰代表結構中的Si−O−Si鍵。630,570和440 cm−1處的吸收帶屬于鐵納米粒子(Fe−O拉伸)。6通過VSM分析獲得的磁滯曲線(圖2D)來評估顆粒的磁性。磁滯曲線呈現(xiàn)超順磁特征，磁飽和度約為10 emu/g。此外，氧化鐵納米粒子(SPION)包覆的二氧化硅微粒子對矯頑力沒有永久磁化。

圖2  (A)合成磁性顆粒的形態(tài)結構(SEM圖像)，(B)表面化學(EDX結果)，(C)化學結構(FTIR光譜)，(D)磁性能(VSM結果)。

采用兩種不同類型的DNA作為模型DNA:魚精子DNA和不同濃度的人胎盤DNA進行微流控DNA分離。首先用魚精子DNA進行分離，每步的流速為10 μL/min。分離在30分鐘內(nèi)完成(吸附10分鐘，洗滌8分鐘，洗脫10分鐘，更換注射器約1分鐘)。在pH為6.0的結合緩沖液中，魚精子DNA被吸附到顆粒上。如圖3A所示，魚精子DNA吸附量隨著DNA負載量的增加而增加。在一定數(shù)量的DNA后，吸附劑(磁性二氧化硅顆粒)達到飽和點，不再吸附吸附劑分子(DNA)，從而達到最大吸附容量(qm)。吸附效率曲線顯示，實驗qm約為100 μg/mg顆粒(圖3A)。Sips吸附模型也被用于理解吸附過程的行為。Sips模型對魚精子DNA吸附的回歸系數(shù)(R2)為0.990。模型的qm值為121 μg/mg。吸附等溫線模型表明，該體系可能以化學吸附為主，可以認為是一個單層吸附過程。利用人胎盤DNA研究了在相同條件下(每步流速為10 μL/min，結合緩沖液pH為6.0)系統(tǒng)的吸附行為。選擇較高的濃度來確定不消耗DNA樣品的最大吸附量(圖3B)。實驗發(fā)現(xiàn)qm約為110 μg/mg，這與文獻中幾種批處理系統(tǒng)中使用的磁性納米顆粒(16−121 μg/mg)相當。Sips模型擬合實驗數(shù)據(jù)點，回歸系數(shù)為0.998,qm為109 μg/mg，與實驗數(shù)據(jù)吻合良好。采用不同pH值的1 × TE緩沖液測定其解吸效率。以10 μL/min和100 μL洗脫量的魚精子DNA在室溫下重復實驗3次(圖3C)。

結果表明，化學相互作用在解吸過程中也起主導作用。隨著洗脫緩沖液pH值從7.0增加到9.0，解吸效率也從18%增加到38%。

圖3  (A)魚精子DNA和(B)人胎盤DNA的吸附量。在每種流速下(樣品流速為10 μL/min)，三次獨立重復實驗的平均值均為±標準誤差。(C)不同ph值下魚精子DNA的解吸效率。每個pH值下3次重復實驗(樣品流速為10 μL/min)。

以魚精子DNA為模型DNA，結合緩沖液pH為6.0，洗脫緩沖液pH為8.0，研究了流速對分離步驟的影響，比較了類似材料和分離DNA所用的方法。為此，分別以5、10、20 μL/min的流速進行3次重復實驗。由圖4可知，吸附效率與流速成反比，在10 μL/min的流速下，吸附性能在70%左右達到飽和。在達到飽和后，磁性顆粒不再具有結合額外DNA的能力，這導致吸附效率達到平臺期。隨著流速的降低，DNA緩沖液在微通道內(nèi)的停留時間會增加，從而影響顆粒表面與DNA分子的接觸時間，從而影響吸附動力學和靜電相互作用，從而提高DNA吸附。此外，微粒上的阻力也減小了，這使得DNA分子更容易附著在微粒上。對解吸性能進行評價時，可以明顯看出，解吸效率隨著流量的增加而增加，當流量為20 μL/min時，解吸效率可達75%左右。這可以歸因于作用在DNA分子上的阻力的增強，這有助于從顆粒表面分離。

在模擬中，重離子垂直入射，MCD-FET和CAVET最敏感的位置都在p基右側，圖9中灰色箭頭所示，p基附近存在高電場區(qū)。考慮到最壞的情況，重離子會穿透整個裝置。圖4顯示了MCD-FET和CAVET在關斷狀態(tài)(VDS = 100 V, VGS = 0 V)下的IDS隨時間的變化。MCD-FET和CAVET的IDS均上升到當前峰值(Ipeak)，隨后逐漸降低。與CAVET相比，MCD-FET表現(xiàn)出10.11 mA的低峰，降低了64.9%。

圖4  不同流速下平臺對魚類精子DNA的吸附、解吸和分離效率。這些值是在每個流量下三次獨立重復實驗的平均值，±標準誤差。

為了快速分離DNA，總操作時間必須保持在最低限度。吸附效率在5 μL/min時最佳，解吸效率在20 μL/min時最佳。10 μL/min時的吸附效率也接近5 μL/min時的吸附效率。在較短處理時間的最佳操作條件下，吸附步長為10 μL/min，洗滌和解吸步長為20 μL/min，操作時間為10 min(吸附5 min，洗滌2 min，洗脫3 min)，分離效率可達50%以上。

表1給出了我們的平臺與文獻中可用的其他技術的不同方面的比較。

表1  文獻中不同DNA分離方法的比較

雖然有比我們平臺的分離效率更高的方法，但考慮到樣品的數(shù)量、裝載樣品的數(shù)量和處理時間，我們的平臺具有更高的性能。但仍有改進的空間，特別是在解吸過程中。在文獻中，有研究通過將洗脫緩沖液中的鹽量增加到1m，并在高溫下使用磷酸鹽緩沖液來提高解吸效率。因此，我們的平臺的解吸性能可以進一步提高，這將提高分離效率。此外，我們的螺旋微通道內(nèi)有40 μL的體積，這影響了加工時間。微通道的體積、通道尺寸和流速可以進行優(yōu)化，以進一步縮短處理時間，從而確保快速隔離。我們的平臺設計非常靈活，實際上，微通道的幾何形狀可以根據(jù)要處理的樣品數(shù)量進行優(yōu)化。

總結與展望
在這項研究中，提出了一種新型的小型化裝置作為3D打印的微流控磁平臺，用于快速分離DNA。這種新穎的設計使磁性顆粒在螺旋微通道的限制下連續(xù)流動。開發(fā)了一個計算模型來評估磁操縱粒子的有效性。

內(nèi)部合成的超順磁單分散二氧化硅顆粒用于分離魚精子和胎盤DNA。通過全面的實驗評估了平臺的吸附、解吸和隔離效率。我們的實驗表明，在我們的平臺上，DNA分離可以在10分鐘內(nèi)完成。

最近，我們的團隊開發(fā)了柔性液壓儲層(FHR)，用于樣品加載到微流控芯片中。帶有集成閥門的新版本FHR正在開發(fā)中。隨著新版本FHR的實施，在手術過程中不需要更換注射器，這最終將使整個過程完全自動化。此外，我們的平臺具有靈活的設計，可以根據(jù)特定應用修改FHR和微通道的體積。

因此，考慮到樣品數(shù)量的靈活設計，快速分析，依賴于相對不太復雜的設備，低成本制造，以及最重要的是，具有便攜式護理點測試的潛力等優(yōu)秀特性，我們的平臺是低成本，快速DNA分離的可行選擇。進一步提高分離效率和應用我們的平臺分離不同的生物材料，如細菌、病毒、外泌體等，將是我們未來的一些研究方向。

論文信息：Gnes Kibar, Buigra Sartarslan, Serkan Doganay, Gokay Yildiz, O. Berk Usta, and Barbaros Cetin.
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c04412