高压放大器行业应用分享：用于神经元细胞和电路工程的微流体
微流控技术是一种通过微小的通道和微型装置对流体进行精确操控和分析的技术。它是现代医学技术发展过程中的一种重要的生物医学工程技术，具有广泛的应用前景和重要性。它在高通量分析、个性化医疗、细胞筛选等方面有着巨大的潜力，Aigtek安泰电子今天就将为大家分享一篇微流控领域研究成果，一起接着往下看吧~
中枢神经系统(CNS)内的人类神经回路由具有不同生物物理和功能特征的兴奋性/抑制性神经元细胞形成。鉴于神经回路的复杂性，绘制大脑的解剖和功能特征对于神经生物学家来说仍然是一项具有挑战性的任务。微流体技术和微制造技术已被广泛用于开发具有集成神经细胞大小的微通道的复杂装置。此外，许多微流体装置也与光学和电生理学工具兼容，使得单个神经元能够被监测、操纵和检查。近日，来自德国波恩大学的Volker Busskamp团队回顾了利用微流体的力量进行自下而上生成神经元细胞类型以及组装和分析神经回路的生物医学工程方法。作者以先进的微流体平台为特色，用于分选、分类、描绘和工程化神经细胞，以及用于构建神经回路；涵盖了描述通过微流体装置中的小生境样隔室工程的神经元细胞的重编程、分化和受控极化的研究。最后，作者回顾了最近通过模拟体内大脑中发现的那些来图案化、结构化和工程化有序/定向2D和3D神经回路的方法(图1)。相关论文“Microfluidics for Neuronal Cell and Circuit Engineering”于2022年9月7日发表于期刊《Chemical Reviews》上。
首先，作者介绍了不同的微流控细胞分选策略。例如，通过使用粘弹性调谐和调节微通道中的液体流速，已经分离出来自大鼠脊髓的神经元和神经胶质细胞(图2a)。利用惯性微流体平台在蛇形通道中分离分离的初级神经元和神经胶质细胞(图2b)。具有螺旋形通道的惯性微流体也已用于从大细胞群中分离神经元细胞(图2c)。除了利用流体流动来分离细胞的基于流体动力学的细胞分选方法之外，基于电泳和声学电泳的方法也已经在微流体平台(图2d-e)。此外，用于表征红细胞可变形性的细胞计量策略可以扩展到对僵硬细胞如神经元或视网膜光感受器(图2f)。微流体平台也可用于根据细胞对刺激的功能反应来分选细胞(图2)。
图2不同的微流控细胞分选策略
之后，作者总结了基于微流体的概念对scRNA测序的贡献。对于单细胞转录组分析，第一步是在微升或纳升反应体积中分离单个细胞。后者主要通过使用FACS、基于阀门或液滴的微流体系统或微流体控制的高密度微孔板来实现（图3）。先进的多模式微流体平台正试图在scRNA-Seq实验中纳入评估生理异质性的选项：可以根据细胞的分子特征，或根据其生理特性绘制细胞图。
图3基于微流体的概念对scRNA测序的贡献
然后，作者介绍了利用微流控梯度发生器构建神经元细胞生态位的相关工作。研究揭示通过使用较小尺寸的微通道来缩小细胞环境增加了神经元干细胞的分化速率，表明新鲜培养基的连续供应对于神经元干细胞的维持是至关重要的。目前，微流体已被研究用于促使未分化的神经突变成树突，同时也阻止轴突分化和生长；提高轴突导向效率；测试轴突对浅和陡引诱物梯度的反应；引导轴突锥体生长。此外，还可以利用微流体装置来同时提供连续和不连续的化学梯度，或者将它们与物理线索如表面图案和结构相结合，以提供更真实的体内微环境模型（图4）。
图4利用微流控梯度发生器构建神经元细胞生态位
最后，作者梳理了微流控器件中神经元回路工程的主要方法。主要包括用于轴突导向的微流体装置、用于神经突分离和功能评估的微流体装置和用于分离树突和突触的微流体装置（图5a-d）。有关“具有受控连接模式的工程2D神经元电路（图5e-h）和微流控器件中的三维神经网络工程（图6）”的相关工作也进行了简要总结。
图5微流控器件中神经元回路工程的主要方法
图6微流控器件中三维神经元回路的构建
带宽：（-3dB）DC~500kHz
电压：400Vp-p（±200Vp）
电流：100mAp
功率：20Wp
压摆率：≥445V/μs
可程控
微流体技术的进步使我们能够加深对细胞和组织的组织和功能的理解，最终为更准确地在体外模拟神经退行性和发育性疾病以及开发先进的细胞替代疗法提供关键信息。将微流体装置与多种技术相结合的可能性，将它们用于经典2D培养以及复杂的3D系统的可能性，使它们成为研究健康和疾病中CNS组件和模块的内部工作的非常有价值的工具。考虑到微流体平台在分类、整理和工程化神经元细胞以及简单或复杂的神经元回路和组织方面的优势，很难低估其作为研究各种中枢神经系统过程的实验平台的价值。
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