将微流控技术应用于电生理学

我叫Dave Edington，是芝加哥伊利诺伊大学生物工程系的助理教授。我们主要研究的领域是将微技术应用于生物医学，特别是使用微流控装置。

今天，我们将向您展示我们的一个项目，该项目涉及使用一种可适配标准脑片灌流室的微流控装置，以实现对脑片进行时空可控的刺激。目前，在电生理学脑片实验中，向脑片施加神经递质的主要方法有两种：一种是对整个脑片进行全局性施加，即同时刺激整片脑组织；另一种则是利用微移液管在不同时间点向特定位置喷射神经递质。

脑切片是一种非常复杂的结构，当你全局施加神经递质或使用微移液管时，无法重现体内的刺激模式。而通过我们的平台，能够精确控制对脑切片特定区域的刺激，实现更接近体内状态的刺激效果。当前的灌流系统如图所示，它们可与标准的盖玻片载片对接。

这些装置可使灌流液在整个脑片上进行灌注。然而，您无法对刺激装置所作用的神经递质实现空间分辨率的精确控制。因此，我们开发了一种微型流控装置，可与这种标准灌流室对接。

因此，所有标准的电生理学检测方法均可使用。唯一的不同之处在于，该装置的底部并非传统的玻璃盖玻片，而是由 A-P-D-M-S 装置构成，该装置上设有多个通孔，这些通孔连接至微流控通道，并进一步连接至顶部灌注室的开口。我们可通过这些孔道、微流控通道和通孔将神经递质递送至脑片组织。液体的输送采用一种称为被动泵送的技术来实现。

因此，我们不需要从该装置引出任何复杂的管路，因为电生理实验本身已经是一项非常复杂的操作。通过简化装置设计并采用被动泵送方式，我们进一步简化了该微流控装置的实验操作流程。该装置的结构为双层微流控网络。

第一层是连接出口端口的流道，第二层则由这些将流道与小孔连接起来的通孔构成。该器件的制备采用标准的双层U型微加工工艺，过程中设有对齐标记，以确保这些通孔精确地位于这四个流道的正中心。该装置设计为可与标准灌注腔室对接，因此可使用所有相同的膜片钳电生理检测方法。

因此，我们可以将此装置置于电生理记录系统上，使物镜进入其中，通过微流控通道提供局部刺激，而不会不必要地使实验设置变得过于复杂。通过尽可能简化装置设计，我们可以更轻松地推广这一平台。目前我们的结构在微流控通道中间设有四个V形结构，但这些结构可根据不同实验室的需求进行调整，具体取决于其所研究的脑区。

因此，一个区域可以研究海马体，另一个区域可以研究大脑外层皮层。根据微流控装置的设计方式，我们可以对这些区域进行刺激。由于该装置无需外部组件即可运行，因此您只需要使用移液器，通过被动泵送技术将液体加入这些开口即可。

使用该设备时，标准电生理实验室无需额外购置除该底部基底以外的任何设备。因此，在本项目迄今为止的阶段，我们的工作重点一直是实现微流控通道与标准灌注室的对接。接下来，项目的工作重点将是利用这些脑片制备样本，在基于具体科学假设的研究中对该设备进行实际测试。

因此，我们已证明，通过将这些荧光类似物注入通道，利用荧光染料可实现对不同区域的空间刺激。下一步是开展真正的生物学实验。因此，微流控领域正进入一个转折点。

我们正在超越新颖的概念验证演示，真正利用这些设备来发现以往无法实现的新颖而令人兴奋的事物。因此，该领域正从利用微尺度可用原理的技术转向应用，例如快速扩散、层流和较大的表面积与体积比，以及过程集成。现在，我们将利用这些技术来解决实验室和临床中尚未满足的需求。