長期以來，精子活力一直是評價男性生育能力的重要指標，也是輔助生殖技術中決定受精成功率的關鍵因素。然而，傳統精子篩選方法大多只能區分“會游”和“不會游”的精子，難以進一步識別真正游得最快、質量最優的精子，更無法為研究精子運動能力背后的遺傳機制提供有效工具。據麥姆斯咨詢介紹，近日，來自美國猶他大學（University of Utah）的研究團隊開發出一種名為“精子賽道（Sperm Racetrack）”的微流控芯片，通過模擬女性輸卵管中的流體環境，讓精子在芯片中展開一場真正意義上的“競速比賽”，并根據最終游泳距離完成高精度分選，為男性不育研究、遺傳學探索以及輔助生殖技術帶來了新的技術方案。相關研究成果已經以“A sperm racetrack to separate sperm by swim speed”為題發表于近期的Lab on a Chip期刊。研究團隊受到精子自然選擇過程的啟發，設計了一種高度仿生的微流控平臺。整個芯片采用PDMS軟光刻工藝制造，由流體層、真空層以及中間硅膠膜組成。芯片內部包含一條長約6.5 cm、寬2 mm的直線微通道，并沿通道均勻設置多個采樣口。當恒定反向流體流經通道時，精子會表現出典型的流變趨向性，主動逆流而上。最終，游得越快的精子能夠進入距離起點更遠的區域，而運動能力較差的精子則停留在前段，實現無需復雜外場控制即可完成的速度分選。圖2 采用標準PDMS模塑工藝制備“精子賽道”微流控芯片與目前廣泛采用的離心法、上游法以及聲流體分選相比，這種設計更加接近人體輸卵管環境，同時結構簡單、制造成本低，也更容易推廣應用。過去已有不少微流控芯片能夠篩選具有運動能力的精子，但大多數只能將精子簡單劃分為“有活力”和“無活力”兩類。而此次提出的精子賽道最大的創新，在于首次實現了按照游泳能力連續排序。研究人員首先利用顯微鏡實時記錄精子在賽道中的運動軌跡，再結合CASA運動分析系統，對精子的多項運動參數進行量化，包括曲線速度（VCL）、平均路徑速度（VAP）、直線速度（VSL）、運動直線性（LIN）以及頭部擺動幅度（WOB）等指標。實驗結果顯示，能夠進入更遠賽段的精子整體運動速度明顯更快。尤其是在芯片中完成分離后再次取出的精子，其VCL、VAP和VSL三項指標均隨著賽段距離增加而顯著提高，證明芯片不僅能夠完成速度分層，而且提取后的精子依然保持了原有的運動優勢，沒有因取樣過程而重新混合。進一步分析發現，真正決定比賽結果的是游泳速度，而不是游泳軌跡是否更直，也不是頭部擺動是否更劇烈。這意味著精子的推進效率才是決定競爭能力的核心因素，為未來研究精子運動機制提供了新的認識。除了運動能力之外，研究團隊還特別關注芯片是否會影響精子活性。研究人員采用伊紅-尼格羅辛染色法，對經過芯片篩選后的精子進行活力檢測。結果顯示，經過賽道篩選得到的精子，其存活率反而高于原始精液樣本；與此同時，距離終點越近、游得越遠的精子，整體活力也越高。這一結果說明，精子賽道不僅能夠按照速度完成篩選，還能同步富集生命力更強、整體質量更高的精子群體。對于輔助生殖而言，這意味著未來無需采用高速離心等可能損傷精子的傳統處理方式，就有機會直接獲得高質量精子，從而進一步提高體外受精（IVF）等輔助生殖技術的成功率。近年來，微流控技術正逐漸成為生殖醫學的重要發展方向。從單精子分析、精子篩選，到胚胎培養、受精過程模擬，各類“芯片上的生殖實驗室”不斷涌現。該研究提出的精子賽道進一步豐富了這一技術體系。相比依賴復雜聲場、電場或離心設備的方案，這種仿生微流控平臺制造簡單、成本較低、透明度高，便于實時顯微觀察，也具有較好的模塊化擴展能力。未來，研究人員還計劃加入連續采集、熒光標記、多樣本競爭分析等功能，并結合DNA完整性檢測、突變負荷分析等分子檢測技術，構建更加完善的高質量精子篩選平臺。https://doi.org/10.1039/d6lc00399k《微流控技術及市場-2024版》
《基于微流控的冷卻散熱技術專利態勢分析-2026版》
