受精是卵子和精子融合為一個合子的過程。在這個過程中，精子的質(zhì)量起到了尤為重要的作用，當(dāng)前的男性生育力診斷測試主要通過研究精子的濃度、總體積和活力來評估。但是，精子的其他特征，如它的趨化能力，同樣會影響受精的可能性。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)人卵泡液含有可引起精子趨化性的物質(zhì)，如卵泡液主要成分之一的孕酮。

近年來，科學(xué)家已經(jīng)開始使用微流控設(shè)備來研究精子的趨化性，現(xiàn)有的大多微流控設(shè)備是基于流體的設(shè)備，雖然具有良好的可控性和穩(wěn)定性，但需要泵來驅(qū)動流體流動，這可能會影響精子的活動能力。因此，現(xiàn)在亟需開發(fā)一種可以快速識別出精子趨化行為中的細(xì)微差別的無泵微流控設(shè)備。
  近期，荷蘭特文特大學(xué)的研究人員介紹了一種簡單、易于制造的無泵微流控芯片，以評估精子的趨化反應(yīng)，該芯片由明膠/瓊脂糖混合水凝膠制成，不僅可輕松量化芯片中微小的行為差異，同時又能夠快速鑒定出精子趨化行為中小的但可重現(xiàn)的差異。研究人員進(jìn)行了公豬精子的趨化性實驗，發(fā)現(xiàn)游入右側(cè)腔室（高孕酮）的公豬精子數(shù)量比左側(cè)（低孕酮）高，證明了該設(shè)備可以進(jìn)行生育力檢測，將有助于更全面地了解一個人的生育能力。相關(guān)論文以“Flow-Free Microfluidic Device for Quantifying Chemotaxis in Spermatozoa”為題，發(fā)表在《Analytical Chemistry》。

雙澆鑄法制備水凝膠芯片

微流體芯片由水凝膠通過雙重澆鑄方法制成。如圖1所示，研究人員在Solid Works中設(shè)計了用于芯片的陽模，并在3D打印機(jī)上打印；然后將聚二甲基硅氧烷（PDMS）倒入圖2所示的3D打印的模具中，在60°C下固化得到陰模；再將水凝膠溶液倒入PDMS模具中使其固化；然后從水凝膠上沖入和沖出孔，再填充緩沖液和孕酮溶液并引入精子；最后將水凝膠粘結(jié)到載玻片上以防止泄漏。模具包含簡單的半3D結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)大小適合3D打印，也可以進(jìn)行微加工，從而使制作過程快速簡單。雙澆鑄方法還意味著可以從一個主模中創(chuàng)建許多模具，制造成本更低，并且可以大規(guī)模批量生產(chǎn)。

圖1. 芯片設(shè)計原理圖

圖2. 芯片地制作過程

優(yōu)化芯片成分

研究人員對精子進(jìn)行了三種不同凝膠（純瓊脂糖、純明膠、明膠/瓊脂糖混合）的生存力分析。結(jié)果表明，純瓊脂糖上的精子的活力下降幅度最大；純明膠對精子活力的影響最小，但明膠結(jié)構(gòu)在37°C下熔化，這是模擬生理條件的最佳溫度；因此，選擇瓊脂糖和明膠的混合物，這種混合形式既可以確保結(jié)構(gòu)的完整性，與純瓊脂糖相比又可以抑制精子死亡。

濃度梯度的形成隨后，研究人員研究了芯片中化學(xué)梯度的形成，使用熒光素鈉鹽溶液作為孕酮的模型，由于其分子量相似，因此具有相似的擴(kuò)散性。結(jié)果如圖3所示，兩小時左右開始形成穩(wěn)定的梯度；兩小時后可以看到精子通道中梯度的線性斜率，至少在20分鐘內(nèi)保持在其初始斜率的2.5％以內(nèi)。

圖3. 熒光素擴(kuò)散梯度隨時間的變化

趨化性測試水凝膠芯片中建立化學(xué)梯度后，研究人員用1 ?M與卵丘細(xì)胞周圍濃度相同的孕酮溶液測試公豬精子的趨化性。將趨化比定義為趨化性的精子數(shù)除以向反方向移動的精子數(shù)，值>1表明具有化學(xué)吸引力；<1表明具有化學(xué)排斥力；=1表示沒有反應(yīng)。結(jié)果如圖4所示，暴露于孕酮梯度的細(xì)胞，其趨化比高達(dá)1.41，而對照組僅有1.09，表明與其他研究相比，研究人員制備的這種芯片能夠更好地測試精子的趨化性。

圖4. 公豬精子的趨化比率

本篇文章中，研究人員設(shè)計了一種郵票大小的微流控芯片，以測試精子的趨化反應(yīng)，該芯片采用具有生物相容性和可在生物學(xué)溫度下工作的明膠/瓊脂糖混合水凝膠制成，芯片易于操作，同時可以快速識別出精子趨化行為中微小但可重現(xiàn)的差異，并通過實驗證明了該設(shè)備能夠研究精子的趨化行為，有望為研究其他化學(xué)物質(zhì)的這種作用鋪平道路，以便更好地從根本上理解指導(dǎo)機(jī)制。高分子科學(xué)前沿建立了“凝膠”、“微流控”等交流群，添加小編為好友（微信號：polymer-xiang，請備注：名字-單位-職稱-研究方向），邀請入群。原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.9b05183

來源：高分子科學(xué)前沿

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