利用水凝胶涂层实现硬质微球在液滴中的超泊松分布装载

在液滴中高效率地封装单个功能化微球对基于液滴的高通量分析具有至关重要的作用，如单细胞基因组学和数字免疫分析。然而，由于微球在液滴中的泊松分布，这些需求一直受到限制。尽管惯性微流控等技术已经被证明对提高微球的装载效率有益，但仍然需要一种不依赖严格的流动条件或复杂的微流控设计的高效率微球装载方法。

近期，上海科技大学刘一凡课题组与合作者一起开发了一种通过对微球进行水凝胶涂层来实现其在微流控通道中的有序、紧密排列及液滴装载的策略，从而将硬质微球的装载效率提高到80%以上。相关研究成果以“Exceeding 80% efficiency of single-beadencapsulation in microdroplets through hydrogel coating-assisted closepackedordering”为题发表在Analytical Chemistry期刊上，并被选作封面文章。

在该项研究中，研究团队通过在硬质微球表面覆盖一层薄水凝胶，制备出了水凝胶包裹硬质微球（HRBs）。这种HRBs具有软凝胶微球的特性（如柔软、光滑和可压缩），因此可以像水凝胶微球一样在微流控通道中有序、紧密排列，并以高效率封装进入液滴，实现液滴中超泊松分布硬质微球装载。

图1 通过水凝胶涂层辅助排列从而实现液滴中高效率微球装载示意图：传统硬质微球包裹进入液滴时服从泊松分布，导致大量空液滴。HRBs由于其能够在微流控通道中有序、紧密排列进入液滴，从而能够实现微球的高效率超泊松分布装载

研究人员采用喷射微流控（jetting microfluidics）和涡旋乳化（Vortex emulsification）两种方法来制备HRBs，其中喷射微流控制备的HRBs具有更高的均一性，同时喷射能够降低一个液滴中包含两个或更多微球的比例。涡旋乳化制备HRBs的优势在于操作简单、通量高，容易实现大规模生产，但其缺点是会产生较高比例的单液滴中多微球包裹的情况。

图2 HRBs的制备与表征：（a）通过喷射微流控和涡旋乳化制备HRBs的示意图；（b）喷射微流控芯片中液滴生成由滴落到喷射的转化；（c）两种方法制备的含微球的液滴和相应的HRBs；（d）喷射微流控制备的含微球的液滴以及相应的HRBs的粒径分布；（e）喷射微流控能够将粘附微球分散开，从而减少液滴中多个微球包裹的概率；（f）两种方法制备的HRBs的双包率统计；（g）两种方法制备HRBs的通量比较

在成功制备好HRBs之后，研究人员将其通入设计好的含有两个十字通道的微流控芯片中测试微球的高效率装载。实验结果表明微球能够在芯片上有序、紧密排列，并以高效率的方式，随液滴生成同步包裹进入液滴中，并能够实现约81%的装载效率。

图3 HRBs高效率装载进入液滴中：（a）微流控芯片设计模式图；（b）喷射微流控和涡旋乳化两种方法制备的HRBs装载进入液滴后的明场图片，其中黄色为单微球装载液滴，绿色为多微球装载液滴；（c）两种方法制备的HRBs装载进入液滴后的液滴直径统计；（d）两种方法制备的HRBs装载进入液滴的效率比较；（e）喷射微流控制备的HRBs装载进入液滴的情况与泊松分布比较；（f）该工作微球装载效率和一些现有技术进行比较

在验证了HRBs的高效率封装之后，研究人员尝试将HRBs和单细胞共同封装，并进行单细胞转录组测序分析。其中用于制备HRBs的硬质微球为含有特定寡核苷酸序列的Drop-seq3微球。研究结果表明，基于Drop-seq微球制备的HRBs能够与细胞高效率配对，同时测序结果也表明，利用HRBs进行的单细胞转录组测序数据质量与传统Drop-seq微球相当。

图4 水凝胶包裹Drop-seq微球和细胞进行液滴中高效率配对：（a）含有特定寡核苷酸序列的Drop-seq微球制备成HRBs模式图；（b）裸露的Drop-seq微球和对应的制备成的HRBs的明场图及相应直径分布；（c）HRBs和细胞共同包裹进入液滴的示意图；（d）HRBs和细胞共同包裹进入液滴的结果图；（e）HRBs和细胞共同包裹进入液滴后包裹比例统计；（f）该工作的细胞捕获效率和几个代表性的单细胞测序进行比较；（g）裸露的Drop-seq微球和相应的HRBs分别对HEK293T细胞进行单细胞转录组分析统计

综上所述，该研究介绍了一种利用水凝胶涂层辅助的高效率超泊松分布微球装载策略。在实验中，微球的最高装载效率能达到80%，超过了传统泊松分布以及现有的基于惯性微流控超泊松分布的方法。此外，微球和细胞共包裹实验表明使用该策略能够显著增加细胞-微球配对效率，并进行高通量单细胞转录组测序分析。

这项工作得到了国家重点研究与发展计划、国家自然科学基金和上海市科学技术委员会等的支持。中科院上海高等研究院博士研究生陈龙、赵毅博士和上海科技大学博士研究生李婕为共同第一作者，上海科技大学刘一凡教授、上海微系统所宓现强教授和复旦大学张经纬教授为共同通讯作者。

审核编辑：刘清