我国在《“十四五”生物经济发展规划》当中郑重提出，要加强微流控、高灵敏等生物检测技术的研发。单细胞分析是精准医学和生命科学研究的核心技术瓶颈，其核心挑战在于如何实现单细胞的高效捕获、无损操控和可控释放。其中细胞捕获技术及精准控温技术是单细胞分析的关键环节，主要目的是将单个细胞从复杂的生物样本中分离出来，以便进行后续的生物及低温医学研究，对癌症等重大疾病的早期诊断及治疗、药物筛选和生理病理过程的研究具有重要意义。微流控芯片作为细胞捕获技术的重要技术手段，能够精确控制单细胞的微环境，实时监测单细胞的行为，但其自主调控性差，不能匹配不同细胞尺寸的性质，限制了在细胞捕获技术上的应用。而温度敏感型水凝胶作为一种能够通过响应温度变化产生体积变化的水凝胶材料，在药物递送、信息加密、软体机器人等方面有广泛的应用潜力。因此本项目希望寻找到一种优良的温敏性水凝胶材料、设计出高效的微流道细胞捕获模型以响应“十四五”战略需求，推动医工交叉课题的发展。

本项目分从微流控捕获流道和水凝胶材料优化两个维度开展研究，每个维度均采用仿真模型设计和实物实验验证等方式来推进项目。在微流控流道设计方面，通过计算机建模技术对冷却流道和细胞捕获流道进行三维结构优化，并进行流道模型实物验证，开发高效微流控温控系统并创新细胞捕获流道设计。在水凝胶制备优化方面，通过溶剂工程和定向冷冻工艺优化温度敏感性水凝胶的机械性能和热响应性能，并通过计算机仿真软件验证温度敏感性水凝胶控制流体流量以实现细胞捕获的功能。最终将两个维度相结合，设计出使用温度敏感性水凝胶为材料的微流控细胞捕获流道。

（1）   开发高效微流控温控系统和智能温控程序: 通过计算机建模技术对冷却流道进行三维结构优化，结合流体动力学仿真与热传导模拟，设计出具有快速均匀降温特性的微流控芯片。并通过芯片实体测试与虚拟仿真的双重验证，确定最优温度控制方案，实现从细胞捕获到释放的全流程精准控温。

（2）   创新细胞捕获流道设计: 基于仿生学原理改良微流道几何构型，结合光刻成型技术构建水凝胶三维结构。通过设计特殊截面形状的微通道，在流体作用下形成有利于细胞定位的物理场，同时利用水凝胶的热响应特性实现温和的细胞释放。

（3）   改进温敏性水凝胶性能: 改良传统水凝胶制备工艺，通过溶剂工程配比优化和引入有机添加物，显著提升材料的机械性能与温度响应速度。并通过精准调控低临界溶解温度（LCST）使得新型水凝胶将具备类极好的生物相容性，似生物组织的柔韧性，在37℃附近实现快速响应，确保细胞活性的同时提高捕获效率。

（4）   开发新型水凝胶制备体系: 创新性引入定向冷冻技术，通过控制冰晶生长方向构建各向异性多孔结构。增强水凝胶的机械稳定性，形成有利于细胞黏附的表面特性，使材料在温度调控下表现出更灵敏的形变响应。

（5）   构建温敏水凝胶仿真模型：对温敏水凝胶流道捕获流道使用ANSYS进行仿真模型验证，探究流道孔径和流道底部温度与均温性对捕获效果的影响，并最终确定水凝胶流道的设计方案。

（6）   水凝胶捕获流道制作：通过多层倒模等实验手段刻印水凝胶内部流道，并通过实验验证其在不同温度下对流道流量的控制效果以及细胞捕获的效率。