全球不孕不育率持续攀升引发广泛关注，目前每六对夫妇中就有一对面临生育难题，其中单纯男性因素导致的不育约占30%。辅助生殖技术（ART）的发展为不孕治疗提供了解决方案，该技术同样应用于畜牧育种领域，其核心在于优质精子的筛选。临床实践中，通常采用上游法或密度梯度离心法获取高活力精子，但这些主流技术无法确保ART成功率——因其可能遗漏DNA完整性等关键指标。这一挑战在卵胞浆内单精子注射（ICSI）等ART技术中尤为突出，该技术需要精准筛选单个精子注入卵母细胞。因此，开发先进的单细胞操控技术并建立有效的精子特征分析系统至关重要。

据麦姆斯咨询介绍，来自澳大利亚墨尔本大学的Javane Javaherchian团队采用微流控十字槽“陷阱”技术，在不进行物理固定的情况下实现单个活动精子的长时间稳定捕获，与传统头部固定法相比显著降低了细胞损伤和运动限制。该研究不仅证实了微流控十字槽平台的高稳定性精子捕获能力，更为理解精子在流体环境中的行为响应机制提供了新见解。相关研究成果已经以“Straining Flow Effects on Sperm Flagellar Energetics in Microfluidic Cross-Slot Traps”为题发表于近期的Small期刊。

微流控十字槽平台

该PDMS十字槽微通道采用双层结构设计：流体层与控制层（图1a）。底部流体层中，缓冲液入口等分岔路在十字槽交汇处形成均匀拉伸的双曲流场，从而建立零速度驻点。基于实时图像处理技术，通过顶部控制层调控驻点位置，可实现精子等微粒在驻点处的长期稳定捕获（图1b-e）。

图1 本研究所采用的十字槽微通道设计

单精子捕获技术

本研究采用特定核尺寸的开运算与膨胀运算处理含精子的前景图像。开运算使用2 × 2像素矩形核以去除碎片等微小物体，有效清除图像噪点与小伪影；随后采用3 × 3像素核进行膨胀运算，扩张精子细胞边界并连接图像中可能断裂的片段，该步骤对精确勾勒精子完整结构至关重要。膨胀运算还能填补精子头部透明区域因离焦旋转产生的空隙，通过图像修复确保处理后精子呈现更完整的形态特征。

图1d展示了后处理所得的精子掩模图像。借助微流控通道的优化设计与图像反馈控制技术的进步，不动精子可稳定捕获并持续观察约1小时，而活动精子因主动逃逸行为平均仅能维持10分钟捕获状态。图2a为捕获精子的观测帧图像。为提升捕获后精子分析的准确性，对记录帧实施多步图像处理：首先通过预捕获视场中1000帧图像的平均值生成背景图（图2b），作为基准从各帧中扣除以分离目标精子（图2c）；随后进行对比度增强、阈值调整及形态学操作（腐蚀、膨胀、中值滤波、空洞填充及开运算），生成二值图像（图2d）。这些处理可强化精子显影效果，同时剔除干扰分析的微小物体与噪点。进一步去除小于精子尺寸的残余噪声后，最终获得黑白分明的二值图像（图2e），便于精子可视化与分割。基于此提取精子鞭毛平滑中线（图2f），为运动学分析提供基础数据以研究微流控陷阱内的精子运动模式。

图2 应变条件下被捕获精子的采样帧图像

总结与展望

本研究引入微流控十字槽捕获装置，可在受控环境中实现单精子捕获，与传统束缚方法相比显著降低了物理约束。这种基于成像的技术能够研究应变流对精子鞭毛运动动力学的影响，同时避免了物理束缚可能造成的细胞损伤风险。在优化的流体动力捕获装置停滞点处，不动公牛精子可稳定捕获长达1小时，而运动精子平均驻留时间达10分钟，证明了该装置具备持续观测能力。

研究结果表明：当应变率达到11.33 s⁻¹及以上时，受拉伸流场影响的鞭毛曲率数据显示，原本规律有序的鞭毛运动会变得紊乱。尽管鞭毛拍打频率稳定保持在5 Hz，但随着应变率增加，拍打幅度和流体动力功率耗散显著降低，揭示了流体环境对精子鞭毛能量学的影响。具体而言，应变率从1.89 s⁻¹提升至11.33 s⁻¹时，拍打幅度减少35.4%，流体动力功率耗散下降41.2%。

本研究为捕获单个精子并分析其在不同流场条件下的鞭毛运动行为提供了有效平台。该技术可扩展应用于其他鞭毛型微生物游动研究，探索粘度变化等不同刺激因素的影响，或观测环境变化引发的精子间相互作用。研究发现还揭示了体内流变学变化如何通过调节精子鞭毛运动模式和功率耗散来优化推进效率。这些见解对于优化精子筛选策略和改进精子微型机器人设计具有重要参考价值。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202500813