抗体的特异性识别功能依赖重链与轻链的协同作用。液滴微流控技术通过将单个细胞封装于皮升级反应区室，能够有效保留抗体重链与轻链的天然配对关系，为开展免疫组库研究及诊断与治疗用抗体开发提供了重要技术手段。为覆盖低频的抗原特异性B细胞、充分挖掘抗体资源，往往需要处理数以百万计的细胞。然而，传统单喷嘴液滴系统处理速度有限，单纯提高细胞浓度又会增加多个细胞进入同一液滴的风险。将多个液滴生成单元并联可以大幅提升通量，但随着网络规模扩大，分配流道中的压降累积可能造成单元间供液不均，进而影响液滴生成的稳定性与尺寸的一致性。因此，如何准确预测并调控并行网络的流量分配，从而在实现超高处理通量的同时兼顾单细胞纯度与液滴均匀性，是大规模并行微流控芯片研发的重要挑战。

针对上述挑战，我院夏宁邵教授、葛胜祥教授、杨达候助理教授团队建立了一种以最大流量偏差为核心的梯形微流控网络解析模型，实现了大规模并行微流控芯片的确定性设计。研究基于离散流阻网络模型和基尔霍夫定律，严密推导了不同进出口构型下最大流量偏差的精确解析表达式，证明了在液阻比一定且供液接近均匀的条件下，最大流量偏差随并行单元数量呈二次增长（O(N2)）的规模化定律，并通过MATLAB求解控制方程组及三维有限元流体仿真验证了这一规律。相比之下，传统常用线性近似模型（O(N)）显著低估了规模扩大带来的流量偏差。此外，为克服一维阵列放大时流量均匀性与加工布局之间的制约，团队进一步开发了二维分层矩阵设计方法，通过等效液阻分析，严格建立整体流量偏差与行内、行间偏差的数学关系，实现两级供液网络的分层设计。基于这一框架，团队开发了配套计算软件，可根据目标细胞数量、细胞装载要求和处理时间自动推荐并行单元数量及矩阵行列组合，通过支持正向流量均匀性评估和通道尺寸的逆向确定性设计，有效降低了高通量微流控芯片开发对经验试错的依赖。

基于上述确定性设计框架与软件工具，研究团队设计并制备了分别包含100个和360个液滴生成单元的高通量并行微流控芯片，液滴生成速率分别达到每秒约27.4万和145万个，通量提升达53.8倍。在确保极低细胞负载率（λ≤0.02）以维持高单细胞纯度的同时，依然保持了高度的液滴尺寸均一性（CV≤13.8%）。为验证平台的规模化细胞包裹能力，研究团队以ARH-77模型细胞开展测试，在40分钟内完成了约1000万个细胞的第一轮液滴包裹，为扩大B细胞采样规模、深入挖掘低频抗体资源提供了通量支撑。依托该高通量微流控平台，研究团队通过两阶段液滴包裹及PCR扩增，成功从100万个人类原代B细胞中快速构建了保留天然轻重链配对信息的单链抗体（scFv）文库。与传统单喷嘴液滴生成方法相比，该平台凭借超高的运行效率和微小且均一的反应体积，将昂贵的分子扩增试剂消耗显著降低了14倍。

高通量天然配对单链抗体文库构建平台示意图

总体而言，该研究建立的精确流体网络解析模型与规模化放大策略，为解决大规模并行微流控系统的理论与工程难题提供了有效的方案。该平台不仅为千万级天然配对抗体文库的构建确立了一种高可扩展、具备成本效益的新策略，其确立的规模化定律与设计原则也可广泛拓展至高通量药物筛选、核酸递送脂质纳米颗粒（LNP）制备及液滴单分子检测等更广阔的并行微流控应用领域。

近日，该研究成果以题为“Scaling laws for Massively Parallel Microfluidics Enable Rapid Construction of Ten-Million-Scale Natively Paired Antibody Libraries”的研究论文在线发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。我院陈泓羽、林颖和陈中甫为该论文的共同第一作者，我院葛胜祥教授、杨达候助理教授和张师音高级工程师为该论文的共同通讯作者。该研究获得国家科技重大专项、国家自然科学基金、厦门市自然科学基金、传染病疫苗研发全国重点实验室自主研究项目和中央高校基本科研业务费专项的资助与支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2612455123

（公共卫生学院）