精子活力與精子授精能力密切相關，是評價雄性生育能力的重要指標。臨床上對精子質量的檢測方法主要包括顯微鏡鏡檢、計算機輔助精子分析系統檢測（CASA）、流式細胞術檢測等，但都存在高成本、操作復雜、需專業操作人員等弊端。而家用精液檢測試劑盒雖然避免了上述缺陷，但僅能評估單一的有限參數（如僅能定性檢測活力，無法量化總數），結果可靠性不足。因此，開發一種便捷、可靠的精子活力測定新方法具有重要意義。

2025年1月，來自加拿大滑鐵盧大學納米技術研究所的Sudip Shyam等人在Advanced Materials Interfaces（IF=4.3）上發表研究論文 “Connecting Droplet Adhesion with Sperm Kinematics: A New Paradigm in Sperm Quality Monitoring”，研究人員基于精子與液滴表面的相互作用和液滴三相接觸線（TCL）動力學，提出了通過精子懸液液滴的界面粘附力預測其活力的新思路，并開發了一種基于懸臂梁偏轉的力測量系統（cantilever-deflection method），用于量化精子液滴的粘附力，降低測量誤差、簡化測量設備的同時，可實現低成本家用檢測。

結果一：精子液滴的異常潤濕動力學

研究人員使用了接觸角測角法（Contact angle measurements）和懸臂梁粘附力測量（Cantilever-based adhesion measurements）來比較活精子與死精子液滴的潤濕行為差異，發現接觸角測角法的結果無顯著差異（圖1A-C），而懸臂梁粘附力測量的結果可明顯區分出活精子（粘附力≈13 μN）和死精子（粘附力≈56 μN）（圖1D-F），因此在后續研究中采用懸臂梁粘附力測量法進行研究。

圖1 活精子、死精子和DMEM液滴的潤濕動力學

結果二：精子運動學的時間變化

使用懸臂梁粘附力測量法，研究人員每30 min測定一次精子液滴的粘附力。從圖2A中可以清晰的看到，懸臂的撓度隨著時間的推移而增加，表明液滴粘附力逐漸增大（即向死精子的高粘附力狀態趨近），與此同時，精子活力則呈下降趨勢（圖2B,C）。

圖2精子液滴粘附力的時序變化

使用相差顯微鏡（DIC microscopy）記錄精子的運動參數，發現隨著時間的推移，精子逐漸喪失運動能力（圖3A,B），精子直線運動速度（VSL），曲線運動速度（VCL），平均運動速度（VAP）也存在不同程度的衰減（圖3C,D）。

圖3精子運動學的時序變化

為了更進一步的了解精子運動的物理過程，研究人員計算了精子運動學的衍生參數。精子在高運動狀態下（t = 0 min），精子直線性（LIN）和前向性（STR）較高，且精子頭側向移位幅度（ALH）較大；而精子在低運動狀態下（t = 120 min），LIN和STR隨時間降低，ALH也出現了較大程度的下降（圖4A,B,D）。此外，精子擺動性（WOB）無顯著變化，鞭打頻率（BCF）則出現了一定的上升（圖4C,E）。通過引入參數?（ALH × BCF）反應精子橫向運動的能力，發現?也隨著時間的推移而下降（圖4F）。

以上結果表明，高運動狀態下的精子可以保持較高的線性運動能力和橫向移動能力，然而隨著時間推移，僅管精子頭部擺動的頻率沒有減少，但橫向運動的能力會出現大幅下降。為了與液滴粘附力的下降建立聯系，研究人員使用線性擬合進行相關性分析，發現LIN、STR、ALH和參數?與液滴粘附力呈現線性相關，證明精子的移動能力可能與精子液滴粘附力存在關聯。

圖4精子衍生運動參數的時序變化

結果三：液滴粘附與精子運動學的關聯機制

已有研究報道，精子與液滴表面的相互作用包括兩種模式：平行運動模式（Progressive surface-aligned motility）和侵襲運動模式（Aggressive surface-attacking motility）。不同運動模式的主導地位取決于液滴表面的曲率，低曲率值的曲面以平行運動模式為主，而高曲率值的曲面以侵襲運動模式為主。

該研究采用的低曲率值液滴可以使高速運動的精子以平行運動模式移動，在這種模式下精子不會對液滴三相接觸線產生力作用。因此，在液滴三相接觸線必須收縮的情況下，高速運動的精子不會引起任何限制力來應對接觸線的收縮。但當精子活力下降或橫向運動能力衰退時，液滴三相接觸線收縮受阻，導致液滴粘附力上升（圖5）。

圖5精子活力與液滴粘附力互作的示意圖

總結

綜上所述，該研究將界面力學和精子動力學相結合，開創性的發現精子液滴粘附力隨精子運動性的衰減而升高，活精子的液滴粘附力顯著低于死精子。通過標準化粘附力測量，該研究有望為開發低成本、自動化精子質量評估設備奠定理論基礎，對家庭用精液檢測試劑盒的研發、臨床醫療檢測、畜牧業人工授精和遺傳改良具有重要意義。

參考資料：

https://doi.org/10.1002/admi.202400680

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