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Optoelectronic Tweezers Platform for Label‐Free and Automated Multidimensional Sperm Manipulation

镊子 光学镊子 精子 计算机科学 纳米技术 人机交互 生物 材料科学 物理 光学 植物
作者
Shunxiao Huang,Jiawei Zhao,Chunyuan Gan,Zijin Zeng,Hongyi Xiong,Jingwen Ye,Hongyan Sun,Wenxin Niu,Ao Wang,Chan Li,Zaiyang Chen,Bo Chen,Lin Feng,Kai Hong,Yanfei Guo,Lei Huang
出处
期刊:Advanced materials and technologies [Wiley]
卷期号:11 (1)
标识
DOI:10.1002/admt.202501167
摘要

Abstract Approximately 17.5% of adults globally face infertility, with male factors accounting for 50% of cases. Current sperm selection and manipulation technologies are limited in precision, throughput, and biosafety. Here, an intelligent sperm manipulation platform based on optoelectronic tweezers integrating multiphysics modeling and automated algorithms is presented for label‐free, high‐precision, multidimensional selection and collective manipulation of sperm cells. COMSOL simulations elucidate the polarization response of sperm under optically induced dielectrophoresis, identifying optimal parameters (10–15 Vpp, 1–10 kHz, 20–40 µm light pattern diameter), which theoretically generate effective driving forces exceeding 2.7 pN. Experimental validation demonstrates manipulation accuracy of <20 µm for single sperm, enabling 3D selection based on morphology (head area), motility (>15 µm s −1 ), and viability (live/dead fluorescence markers). By integrating a YOLOv8‐based object detection model with a path‐planning algorithm, the system achieves collision‐free queuing of four sperm within 27 s (spacing error <2.25%), enriches low‐concentration samples by 120‐fold, and directs transport of sperm populations (velocity 10 µm s −1 , escape rate <1%). Post‐manipulation analyses confirm maintained motility (16.4 ± 1.7 µm s −1 ) and DNA integrity, demonstrating the non‐invasive nature of the technique. This technology addresses the “precision‐throughput‐damage” trade‐off in reproductive cell engineering and offers a transformative approach for standardizing assisted reproductive technologies.
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