来源：生命科学前沿
精子活力与精子授精能力密切相关，是评价雄性生育能力的重要指标。临床上对精子质量的检测方法主要包括显微镜镜检、计算机辅助精子分析系统检测（CASA）、流式细胞术检测等，但都存在高成本、操作复杂、需专业操作人员等弊端。而家用精液检测试剂盒虽然避免了上述缺陷，但仅能评估单一的有限参数（如仅能定性检测活力，无法量化总数），结果可靠性不足。因此，开发一种便捷、可靠的精子活力测定新方法具有重要意义。
2025年1月，来自加拿大滑铁卢大学纳米技术研究所的Sudip Shyam等人在Advanced Materials Interfaces（IF=4.3）上发表研究论文 “Connecting Droplet Adhesion with Sperm Kinematics: A New Paradigm in Sperm Quality Monitoring”，研究人员基于精子与液滴表面的相互作用和液滴三相接触线（TCL）动力学，提出了通过精子悬液液滴的界面粘附力预测其活力的新思路，并开发了一种基于悬臂梁偏转的力测量系统（cantilever-deflection method），用于量化精子液滴的粘附力，降低测量误差、简化测量设备的同时，可实现低成本家用检测。
结果一：精子液滴的异常润湿动力学
研究人员使用了接触角测角法（Contact angle measurements）和悬臂梁粘附力测量（Cantilever-based adhesion measurements）来比较活精子与死精子液滴的润湿行为差异，发现接触角测角法的结果无显著差异（图1A-C），而悬臂梁粘附力测量的结果可明显区分出活精子（粘附力≈13 μN）和死精子（粘附力≈56 μN）（图1D-F），因此在后续研究中采用悬臂梁粘附力测量法进行研究。
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1 活精子、死精子和DMEM液滴的润湿动力学
结果二：精子运动学的时间变化
使用悬臂梁粘附力测量法，研究人员每30min测定一次精子液滴的粘附力。从图2A中可以清晰的看到，悬臂的挠度随着时间的推移而增加，表明液滴粘附力逐渐增大（即向死精子的高粘附力状态趋近），与此同时，精子活力则呈下降趋势（图2B,C）。
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2精子液滴粘附力的时序变化
使用相差显微镜（DIC microscopy）记录精子的运动参数，发现随着时间的推移，精子逐渐丧失运动能力（图3A,B），精子直线运动速度（VSL），曲线运动速度（VCL），平均运动速度（VAP）也存在不同程度的衰减（图3C,D）。
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3精子运动学的时序变化
为了更进一步的了解精子运动的物理过程，研究人员计算了精子运动学的衍生参数。精子在高运动状态下（t = 0 min），精子直线性（LIN）和前向性（STR）较高，且精子头侧向移位幅度（ALH）较大；而精子在低运动状态下（t = 120 min），LIN和STR随时间降低，ALH也出现了较大程度的下降（图4A,B,D）。此外，精子摆动性（WOB）无显著变化，鞭打频率（BCF）则出现了一定的上升（图4C,E）。通过引入参数ϕ（ALH × BCF）反应精子横向运动的能力，发现ϕ也随着时间的推移而下降（图4F）。
以上结果表明，高运动状态下的精子可以保持较高的线性运动能力和横向移动能力，然而随着时间推移，仅管精子头部摆动的频率没有减少，但横向运动的能力会出现大幅下降。为了与液滴粘附力的下降建立联系，研究人员使用线性拟合进行相关性分析，发现LIN、STR、ALH和参数ϕ与液滴粘附力呈现线性相关，证明精子的移动能力可能与精子液滴粘附力存在关联。
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4精子衍生运动参数的时序变化
结果三：液滴粘附与精子运动学的关联机制
已有研究报道，精子与液滴表面的相互作用包括两种模式：平行运动模式（Progressive surface-aligned motility）和侵袭运动模式（Aggressive surface-attacking motility）。不同运动模式的主导地位取决于液滴表面的曲率，低曲率值的曲面以平行运动模式为主，而高曲率值的曲面以侵袭运动模式为主。
该研究采用的低曲率值液滴可以使高速运动的精子以平行运动模式移动，在这种模式下精子不会对液滴三相接触线产生力作用。因此，在液滴三相接触线必须收缩的情况下，高速运动的精子不会引起任何限制力来应对接触线的收缩。但当精子活力下降或横向运动能力衰退时，液滴三相接触线收缩受阻，导致液滴粘附力上升（图5）。
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5精子活力与液滴粘附力互作的示意图
总结
综上所述，该研究将界面力学和精子动力学相结合，开创性的发现精子液滴粘附力随精子运动性的衰减而升高，活精子的液滴粘附力显著低于死精子。通过标准化粘附力测量，该研究有望为开发低成本、自动化精子质量评估设备奠定理论基础，对家庭用精液检测试剂盒的研发、临床医疗检测、畜牧业人工授精和遗传改良具有重要意义。
参考资料：
https://doi.org/10.1002/admi.202400680
