随着液滴微流控在生化检测领域的重要性日益凸显，用户对液滴生成的个性化需求对液滴微流控平台提出了更高的技术要求。作为一种用户友好型且高通量的液滴生成方法，离心台阶乳化在POCT（即时检测）等领域展现出广阔的应用前景。然而，由于缺乏精准的预测模型，台阶乳化的液滴设计往往依赖大量的实验经验，限制了其进一步发展。

近日，针对上述挑战，华中科技大学刘笔锋教授课题组在Advanced Science上发表题为“Data‐Driven Theoretical Modeling of Centrifugal Step Emulsification and Its Application in Comprehensive Multiscale Analysis”的研究论文。该系统采用拼图式组装方法，将微流控芯片中的微通道与腔室进行灵活组合，产生多达60种不同条件下的液滴生成实验数据。同时，结合计算流体力学（CFD）可视化模拟仿真，生成了相同条件下的大量仿真数据。通过分析液滴生成过程中的流体几何构型，研究团队确定了决定液滴尺寸的关键因素——连接微通道与液滴的连接通道。基于实验和仿真数据的训练与验证，研究团队成功构建了一种通用的理论模型，该模型能够准确预测液滴的尺寸和生成频率，其平均预测误差仅为4.8%。这一预测模型使CASE系统能够满足一体化检测需求，包括液滴的预设计、生成、操控以及原位检测。作为概念验证，CASE系统已成功应用于数字化LAMP核酸检测、数字化细菌定量与药敏实验以及细胞成球实验，均表现出卓越的性能。这一系统不仅为离心台阶乳化的个性化液滴设计提供了可靠的工具，同时也进一步推动了液滴微流控在生化检测领域的广泛应用。

生命科学与技术学院王鑫和蔡小璐为共同第一作者，华中科技大学生命科学与技术学院刘笔锋教授、陈鹏副教授和李一伟教授为论文通讯作者。

图1. 个性化组装的离心台阶乳化系统（CASE系统）用于液滴微流控。（a）CASE系统具备参数调节的灵活性，可以用来产生大量的终点实验数据，计算流体力学则可以提供实时可视化的仿真数据。（b）结合实验和仿真数据集，提出了一种数据驱动的预测模型用于预测生成液滴的大小和频率。（c）通过参数调节，液滴直径可被预先设计为80-400微米，这满足了从核酸到细菌，再到癌症细胞的跨样本尺度的分析需求。

图2.CASE系统的组成与所生成液滴的鲁棒性。(a) CASE系统芯片的爆炸图。(b) CASE系统的平行台阶结构。(c) 通过台阶结构生成液滴的示意图。(d）CASE系统的功能腔室和通道。(e-g）在不同微通道尺寸下的液滴生成结果。(h-i）液滴生成起始阶段、终止阶段时微通道的流体流速及其减少量。(j) 在不同尺寸的通道中液滴生成的重复性验证。

图3.滴流阶段液滴生成过程的数值模拟。（a）数值模拟的三维模型。（b）数值模拟的网格划分。（c）水相的三个组成部分。（d）微通道液体的x-z截面。（e）水相液体的y-z截面。（f）一个液滴生成周期的压力、速度和体积分数变化过程。（g）连接通道收缩时的压力分布。（h）连接通道收缩时的速度分布。

图4.在滴流阶段液滴生成的预测。（a）比较常规可见实验的分析范式和该工作中黑盒实验的分析范式。（b-d）通过数值仿真得到的不同通道尺寸下液滴生成的结果。（e-g）实验数据集和仿真数据集结果存在较大差异。（h）通过仿真数据集拟合发现连接通道处的阻力系数与液滴直径呈指数相关。（i）通过连接通道处的阻力系数与液滴直径的指数关系对液滴直径的预测。（j）使用一部分实验数据对连接通道处的阻力系数进行指数拟合。（k）使用另一部分实验数据对预测结果进行评估，平均错误发生率为4.8%。

图5.CASE系统中的液滴数字化环介导等温扩增。（a）工作流程；（b）限制液滴尺寸的条件。（c）液滴尺寸的最优化。（d）逆向工程推导生成特定液滴尺寸的条件。（e）不同核酸浓度下的ddLAMP结果。（f）ddLAMP结果与理论浓度的线性拟合。

图6. CASE系统中的数字化细菌定量与药敏检测。（a）工作流程。（b）液滴尺寸的最优化。（c）海藻酸盐液滴尺寸与转速的关系。（d）海藻酸盐液滴尺寸与微通道尺寸的关系。（e）不同细菌浓度下的数字化细菌定量结果。（f）数字化细菌定量结果与理论浓度的线性拟合。（g）大肠杆菌抗四环素的药敏检测结果。

图7.CASE系统中凝胶微球包裹MCF-7细胞和细胞成球。（a）工作流程。（b）在12天的培养中细胞在凝胶微球中的生长。（c）细胞存活状态和细胞球大小。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202411459