受精是卵子和精子融合為一個合子的過程。在這個過程中，精子的質量起到了尤為重要的作用，當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。科學家發現人卵泡液含有可引起精子趨化性的物質，如卵泡液主要成分之一的孕酮。

近年來，科學家已經開始使用微流控設備來研究精子的趨化性，現有的大多微流控設備是基于流體的設備，雖然具有良好的可控性和穩定性，但需要泵來驅動流體流動，這可能會影響精子的活動能力。因此，現在亟需開發一種可以快速識別出精子趨化行為中的細微差別的無泵微流控設備。
  近期，荷蘭特文特大學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，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的差異。研究人員進行了公豬精子的趨化性實驗，發現游入右側腔室（高孕酮）的公豬精子數量比左側（低孕酮）高，證明了該設備可以進行生育力檢測，將有助于更全面地了解一個人的生育能力。相關論文以“Flow-Free Microfluidic Device for Quantifying Chemotaxis in Spermatozoa”為題，發表在《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中設計了用于芯片的陽模，并在3D打印機上打印；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；最后將水凝膠粘結到載玻片上以防止泄漏。模具包含簡單的半3D結構，結構大小適合3D打印，也可以進行微加工，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建許多模具，制造成本更低，并且可以大規模批量生產。

圖1. 芯片設計原理圖

圖2. 芯片地制作過程

優化芯片成分

研究人員對精子進行了三種不同凝膠（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，但明膠結構在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構的完整性，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，因此具有相似的擴散性。結果如圖3所示，兩小時左右開始形成穩定的梯度；兩小時后可以看到精子通道中梯度的線性斜率，至少在20分鐘內保持在其初始斜率的2.5％以內。

圖3. 熒光素擴散梯度隨時間的變化

趨化性測試水凝膠芯片中建立化學梯度后，研究人員用1 ?M與卵丘細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除以向反方向移動的精子數，值>1表明具有化學吸引力；<1表明具有化學排斥力；=1表示沒有反應。結果如圖4所示，暴露于孕酮梯度的細胞，其趨化比高達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，研究人員設計了一種郵票大小的微流控芯片，以測試精子的趨化反應，該芯片采用具有生物相容性和可在生物學溫度下工作的明膠/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的差異，并通過實驗證明了該設備能夠研究精子的趨化行為，有望為研究其他化學物質的這種作用鋪平道路，以便更好地從根本上理解指導機制。高分子科學前沿建立了“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：高分子科學前沿

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