论文标题：Continuous Flow Labeling and In-Line Magnetic Separation of Cells

期刊：Magnetochemistry

作者：Zhixi Qian,Thomas R. Hanley,Lisa M. Reece,James F. Leary,Eugene D. Boland, and Paul Todd

发表日期：30 December 2021

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期刊链接：https://www.mdpi.com/journal/magnetochemistry

"细胞搜索" 平台 (唯一经FDA批准的用于循环肿瘤细胞计数) 等高效捕获技术以及监测稀有靶细胞技术已逐渐商业化，其中最常见的方法是靶细胞的免疫磁标记和磁捕获。然而，许多微流控平台需要在抗体包覆的表面来捕获靶细胞，而另一些则依赖于流体动力学的非特异性。总而言之，简化工作流程和提高捕获效率是最终目标。因此，细胞标记、收集、检测和定量都必须在一个有效且用户友好的POC设备中完成。为了优化自动捕获稀有靶细胞过程，来自美国的Paul Todd 博士研究团队建立了一系列优化参数，并将其研究成果发表在Magnetochemistry 期刊。

材料和方法

该研究采用的材料和方法主要包括：串联混合装置、细胞和标签、磁试剂、模拟标记混合物中组分、磁泳力流动性测量、磁阱和荧光和流式细胞术。

图1A是管径为1 cm，管长为15 cm的静态混合器。混合器有20个螺旋挡板，将流体混合物分成多层。图1B阐释了该研究过程如何实现。

图1. 静态混合装置及原理。(A) 一次性商用 (乐泰) 静电片；(B) 每个挡板下游的界面生成 (ISG)。

理论与计算

本研究中，作者利用ANSYS软件制作网格文件，并建立模型进行仿真，获得了混合器中流体的流动变化。实验过程中研究了粒子和细胞在混合器中的扩散、沉降对混合的影响、磁阱模拟、粒子向磁体运动的计算等过程。这些操作的执行顺序如图2所示。

图2. CFD模拟ICEM、FLUENT和用户定义分析函数的流程图。

结果与讨论

1. 静态混合器仿真结果

ANSYStm FLUENT在模拟总流量为1.0 mL/min时混合效果最好，如图3A-C所示。图中显示了各阶段的体积分数分布。第一阶段是血样 (红色) 以0.833 mL/min的速度进入混合器，第二阶段为试剂 (粒子溶液，蓝色) 以0.167 mL/min速度进入搅拌器。由图3A可知，经过11-12步混合后，混合物的体积分数达到稳定，血液体积与试剂体积之比约为83:17。图3B是混合器中间段的分布情况，由截面上的体积分数可知，混合尚未完成。图3C表明血液和试剂在第18步和出口处混合良好。另一组模拟 (图3D) 为粒子在混合器中速度变化。经过2-3个阶段的混合后，相速度差消失了。第16步之后，流线速度非常相似，约为2.6 cm/s。因此，在1.0 mL/min时，血液和试剂可以很好的进行静态混合。

图3. 血液和试剂溶液混合的模拟结果。

2. 磁阱模拟结果

磁铁界面的通道尺寸为4×5×10 mm (图4A)，通过有限元分析 (图4B) 来计算流速，结合磁铁有质动力进行二维分布。通过计算，得到了质点在x和y方向上的速度函数。图4C和4D分别表示在1.0 mL/min和3.0 mL/min时的总流速。由图可见，在磁泳率为 (7.47×10−12 m3/TAs) 时，所有粒子可以在静态混合流速为1.0 mL/min时被捕获，在3.0 mL/min则不可以。所以，混合物的流动特性和是磁阱兼容的，被捕获的细胞迁移率必须等于或大于7.5×10−12 m3/TAs。

图4. 标记细胞轨迹的计算。

3. 同轴磁捕获的实验测试

将静态直列混合器捕获单元与传统振动台法预标记单元进行了对比试验。结果表明，静态混合器可以成功捕获标记细胞。图5中可以看到这两种方法都成功地捕获了标记细胞。

图5. 用标准振动台法和静态直列混合后，捕集器内收集的细胞的磁性分析。

研究结论

在线设备可以按预期单独或一起工作，作者提出了一种可以由半熟练操作人员使用便携式设备进行即时循环稀有细胞检测的方法 (如图6)。当前可预见的具体工作流程包括：(1) 收集25 mL全血到采样注射器；(2) 将注射器连接到其接头上；(3) 确保三支注射器 (样品、试剂、PBS) 均含有对应液体；(4) 盖上盖子；(5) 等待自动化流程完成 (45分钟)；(6) 收集微流控细胞仪分析的条形码，打印结果；(7) 在微流控细胞仪出口获得磁性收集的细胞。

图6. (左) 采用本研究中开发的组件设计的一种自动即时便携式稀有细胞检测系统的概念；(右) 附加微型专用流式细胞仪的概念，带有一次性微流控盒，用于接收从磁阱中流出的捕获细胞。

原文出自Magnetochemistry 期刊

Zhixi Qian et al. Continuous Flow Labeling and In-Line Magnetic Separation of Cells. Magnetochemistry 2022, 8(1), 5

Magnetochemistry 期刊介绍

主编：Carlos J. Gómez García, Universidad de Valencia, Spain

期刊主要覆盖磁性的所有领域，特别关注磁性材料的设计、合成、表征及其结构和性质关系的研究。

2020 Impact Factor：2.193

5-Year Impact Factor：2.313

Time to First Decision：15.6 Days

Time to Publication：38 Days