《Biosensors and Bioelectronics》：Microfluidic device for continuous blood plasma separation from whole blood
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本研究针对传统离心法分离血浆存在耗时、设备笨重且不适用于床旁诊断（POC）的瓶颈，开发了一种无需外力驱动的简易低成本微流控装置。该装置通过优化通道几何结构（如20-μm通道高度、垂直侧通道取向），实现了对未稀释全血的连续、实时血浆分离，在0.05–0.2 mL min?1流速范围内显著降低红细胞（RBC）污染，血浆得率达3.8%，提取速率为6.5 μL min?1，且溶血水平与离心样本相当。流式细胞术进一步证实其对外周血单核细胞（PBMC）的高效去除，白细胞含量显著低于离心法获得的血浆。该装置为高通量、高纯度血浆分离提供了稳健平台，在POC诊断应用中展现出巨大潜力。
在临床诊断和研究中，血液分析至关重要，而血浆作为富含蛋白质、酶、小分子及核酸等生物标志物的关键组分，其分离质量直接影响检测结果的可靠性。传统上，血浆分离依赖于离心技术，这种方法虽然应用广泛，却存在明显短板：它耗时较长，需要大型专用设备以及操作熟练的技术人员，并且处理过程存在延迟，这使得它在资源有限或需要快速响应的床旁诊断（Point-of-Care, POC）场景中显得力不从心。面对这一挑战，微流控技术因其能够提供紧凑、低功耗、集成化的血液处理与分析平台而备受关注。然而，现有的微流控血浆分离方法，无论是依赖过滤膜易导致堵塞的被动方式，还是需要外加声、磁等场域增加系统复杂性的主动方式，在分离效率、通量或实用性方面仍有提升空间。因此，开发一种能够实现连续、实时、无需外力驱动且适用于未稀释全血的高效血浆分离微流控装置，成为了一个重要的研究方向。这项发表在《Biosensors and Bioelectronics》上的工作，正是致力于解决这一问题。
为开展本研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：首先，通过数值模拟（使用COMSOL Multiphysics?软件）对六种不同的微流控通道几何构型（Designs A-F）进行流体动力学分析和性能预测，重点关注侧通道取向和通道高度（20, 30, 40 μm）对红细胞（RBC）污染的影响。其次，采用标准光刻和软光刻技术进行器件加工，具体包括在硅衬底上进行掩模光刻和深反应离子刻蚀（DRIE）以制作模具，然后浇注聚二甲基硅氧烷（PDMS）并完成键合。实验所用样本为新鲜采集的健康人全血（血细胞比容约40%）。最后，通过实验验证评估器件性能，包括使用血细胞计数器对分离后血浆进行RBC计数，使用酶标仪进行溶血分析（检测游离血红蛋白浓度），以及使用流式细胞术（BD FACSCelesta?）定量残留的外周血单核细胞（PBMC）。
3.1. 模拟结果
通过数值模拟比较了不同通道设计（A-D）在不同高度下的性能。模拟结果显示，所有设计都呈现出RBC污染的“U”形趋势，即在低流速和高流速下污染较高，而在中等流速（约0.05–0.1 mL min?1）下污染最低。其中，Design D（垂直侧通道，20 μm高度）在模拟中 consistently 表现出最低的污染水平（最低约8000个RBCs），优于其他设计。模拟还表明，20 μm通道高度相比30 μm和40 μm能提供更宽的低污染稳定操作窗口。
3.2. Design A的实验验证
对Design A的实验验证表明，在20 μm通道高度下，其在中等流速（约0.05–0.1 mL min?1）下能达到低于5000个RBCs的污染水平，分离效率高达99%以上。然而，当流速超过0.15 mL min?1时，由于涡流效应，分离效率略有下降。40 μm通道由于惯性效应较弱，在高流速下污染控制相对较好，但稳定操作范围较窄。
3.3. Design D的实验验证
优化后的Design D在实验中的表现优于模拟预测。在0.05–0.2 mL min?1的流速范围内，其分离的血浆纯度均达到约99%，血细胞计数板上未观察到RBCs，远优于模拟预估的8000个RBCs。该设计实现了6.5 μL min?1的血浆提取速率和3.8%的血浆得率。其垂直侧通道取向有效最小化了再循环区，增强了RBC的惯性聚焦。
3.4. 溶血评估
对分离血浆的溶血分析显示，微流控装置分离的血浆中游离血红蛋白浓度（平均29.72 mg dL?1）与标准离心法获得的血浆（平均32.26 mg dL?1）无显著差异，表明该装置在分离过程中不会引起额外的机械性红细胞损伤，保持了血浆的完整性。
3.5. 流式细胞术结果
流式细胞分析进一步证实了该装置在去除白细胞方面的优越性。芯片分离的血浆中PBMC数量（约252个）显著低于全血（约34,443个）和离心血浆（约1988个），表明该装置能有效去除单核细胞，获得更高纯度的血浆。
本研究成功开发并优化了一种用于全血连续血浆分离的被动式微流控装置。核心发现是，通过采用垂直侧通道取向和20 μm通道高度（Design D），该装置能够在0.05–0.2 mL min?1的流速范围内，实现对未稀释人全血的连续、实时血浆分离，且分离效率高达99%。尽管分离后的血浆中仍存在少量残留红细胞，但其浓度相较于全血已大幅降低。该装置还表现出卓越的细胞去除能力，其分离的血浆中外周血单核细胞（PBMC）含量显著低于离心法，展现了更高的白细胞纯度。在最佳操作流速0.10 mL min?1下，装置能稳定提供2.5 μL min?1的血浆提取速率和2.5%的血浆得率，足以满足连续床旁诊断（POC）应用的需求。重要的是，装置操作温和，分离血浆的溶血水平与离心样本相当，证实其不会对红细胞造成机械损伤。与先前报道的微流控及传统方法相比，该装置在更高流速下实现了更高的分离效率，且无需稀释血液，提供了一个简单、可扩展、低成本的临床集成平台。其重要意义在于为下一代紧凑、自动化POC诊断系统的开发奠定了坚实基础，未来通过集成传感器实现血浆生物标志物的连续、在线检测，将极大推动即时诊断的发展。未来的工作将集中于传感器集成以及在不同血细胞比容水平和患者条件下进行临床评估，以验证其在真实临床环境中的可靠性。
