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为解决卵母细胞冷冻保护剂（CPA）手动加载问题，研究人员开发微流控装置，实现自动加载，向自主式 IVF 迈进。
卵母细胞冷冻保护剂加载的新突破
在现代医学中，辅助生殖技术为众多不孕不育家庭带来了希望，其中体外受精（In Vitro Fertilization，IVF）技术尤为突出。据世界卫生组织 2023 年报告，全球约六分之一的成年人面临不孕不育问题，高收入国家终身不孕不育患病率达 17.8%，低收入和中等收入国家为 16.5%。IVF 技术自 1978 年首例成功活产以来，改变了生殖医学的格局。卵母细胞冷冻保存是 IVF 的关键环节，它可以储存卵母细胞，用于后续的受精和胚胎发育，还能为有需要的女性保存生育能力。
然而，目前卵母细胞冷冻保护剂（Cryoprotectant Agents，CPAs）的加载过程存在诸多问题。传统的手动移液方法不仅耗时费力，需要经验丰富的胚胎学家操作，而且容易导致渗透压应激、细胞长时间暴露于有毒的 CPA 溶液中，不同诊所之间缺乏标准化操作，结果差异较大。这些问题严重影响了珍贵生殖细胞的处理效果，增加了 IVF 的成本，限制了其可及性。因此，开发一种高效、准确且低成本的卵母细胞 CPA 加载方法迫在眉睫。
为了解决这些难题，来自美国马萨诸塞州总医院（Massachusetts General Hospital）、哈佛医学院（Harvard Medical School）等机构的研究人员 Li Zhan、Hunter Hinnen、Kaustav A. Gopinathan 和 Mehmet Toner 开展了相关研究。他们利用微流控晶体管技术，开发了一种低成本且用户友好的微流控装置，实现了卵母细胞 CPA 加载的自动化，为自主式 IVF-on-a-chip 技术的发展迈出了重要一步。该研究成果发表在《Device》杂志上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先是微流控晶体管技术，利用微流控晶体管构建液流定时器和逻辑门，实现对复杂流场条件的定时控制。其次，通过标准的聚二甲基硅氧烷（PDMS）软光刻技术制作微流控芯片，包括卵母细胞芯片和微流控晶体管芯片。此外，运用电路模拟和数值模拟手段，对液流定时器电路、逻辑门电路以及线性 CPA 浓度分布进行优化和分析。实验中使用冷冻解冻的小鼠 MII 期卵母细胞，验证装置的性能。
微流控装置的设计
研究人员设计了一种能够自动制备用于玻璃化冷冻的卵母细胞的微流控装置，该装置由卵母细胞芯片和微流控晶体管芯片组成。卵母细胞芯片负责与卵母细胞直接接触并处理各种溶液，它有三个入口和两个出口，四个液压式 Quake-style 阀门控制溶液的流动顺序。微流控晶体管芯片则用于产生时间依赖性的数字压力信号，以控制卵母细胞芯片中阀门的开关。通过这种设计，实现了卵母细胞的捕获、平衡溶液（Equilibrium Solution，ES）的线性加载、玻璃化溶液（Vitrification Solution，VS）的脱水处理以及卵母细胞的提取等一系列操作的自动化。
长时长液流定时器的开发
研究人员利用微流控晶体管结合电阻 - 电容（RC）低通滤波器和反相器构建了液流定时器。通过改变电容注射器中的空气体积，可以调节定时器的时长。实验表明，定时器时长与电容注射器中的初始空气体积和电阻成正比。研究人员选择了合适的空气体积，制作出了满足实验需求的 200s、1,100s 和 1,175s 的液流定时器。
时间依赖性数字压力信号的生成
研究人员通过集成逻辑门电路，利用液流定时器的输出作为逻辑门的输入，生成时间依赖性的压力状态，从而控制卵母细胞芯片中阀门的开关。通过 Karnaugh 映射和 NAND 简化，设计了包含四个逻辑门的电路，成功实现了对阀门 A、B、C、D 的精确控制。实验结果显示，该电路能够准确地产生预期的压力信号，控制阀门按照设定的时间开启和关闭。
卵母细胞捕获和线性 CPA 浓度分布的优化
卵母细胞芯片的两个关键功能是捕获卵母细胞和生成线性 CPA 浓度分布。研究人员设计了 U 形卵母细胞捕获结构，并通过优化流道设计和添加平行虹吸通道，实现了快速、无变形的卵母细胞捕获。同时，利用 RC 低通滤波器和蛇形混合通道，通过调节电阻和电容，实现了 ES 的线性加载，使 CPA 浓度在 15 分钟内达到预期的线性变化。
小鼠卵母细胞的自动 CPA 加载
研究人员将卵母细胞芯片和微流控晶体管芯片集成，对小鼠卵母细胞进行自动 CPA 加载实验。实验结果表明，该装置能够成功控制每个阀门，实现预期的流场条件，完成卵母细胞的捕获、ES 加载、VS 脱水和卵母细胞提取。与传统的分步加载相比，线性加载 ES 能显著减少卵母细胞的体积变化，降低渗透压应激，减少细胞损伤。研究人员还成功收集到了用于玻璃化冷冻的卵母细胞，验证了装置的有效性。
研究人员开发的微流控装置实现了卵母细胞 CPA 加载的自动化，具有重要的意义。线性 ES 加载减少了卵母细胞在 CPA 加载过程中的渗透压应激和细胞损伤，提高了处理的标准化程度，降低了成本。该技术的应用可以使卵母细胞玻璃化冷冻在更多场所进行，如卫星诊所或偏远地区，提高了 IVF 治疗的可及性。此外，微流控晶体管技术为 IVF-on-a-chip 技术的发展提供了新的思路，有望实现 IVF 过程中更多关键步骤的自动化，如卵母细胞去核、胞浆内单精子注射（ICSI）、胚胎培养和冷冻保存等，推动辅助生殖技术的进一步发展。
不过，该研究也存在一些可以改进的地方。例如，可以通过增加对卵母细胞捕获的主动检测，提高操作效率；对装置进行多路复用设计，以处理更多卵母细胞。此外，还需要用新鲜的小鼠或牛卵母细胞进行验证，并与手动移液方法进行比较，评估卵母细胞的存活率和后续发育能力。但总体而言，这项研究为解决卵母细胞 CPA 加载的难题提供了创新的解决方案，为辅助生殖技术的发展开辟了新的方向。
