浅谈微流控技术发展及应用

2018-12-28 09:42:23 vela01 3

微流控技术(Microfluidics)是一种用来操纵极微量液体(10-9~10-18L)的新型技术平台。微流控技术被广泛应用于生物学问题研究,其主要特点和优势是将细胞培养、实验处理及成像、检测等步骤高度集成于一张芯片上。

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微流控技术问世至今,不过近30年历史,但其发展迅猛,被称为下一代医疗诊断“颠覆性技术”。本篇文章将从微流控技术发展重要时间节点、开发微流控芯片需要考量的主要因素以及热门应用领域三方面简单介绍微流控技术。

微流控技术发展的重要时间节点

1. 20世纪90年代

Manz、Harison等人开展早期的芯片电泳研究,并提出了微-全分析系统(μ-TAS)的概念。

2. 1994

Ramsy等在Manz的研究基础上,改进了芯片毛细管电泳进样方法,提高了其性能,同年,首届μ-TAS会议在荷兰召开。

3. 1995

首家从事微流控技术的Caliper公司成立,相关企业微流控技术研发也在紧密进行。

4. 1998

Whiteside提出用PDMS制作芯片的快速模板复制法

5. 1999

HP(Agilent)和Caliper公司联合推出首台微流控芯片商品化仪器,最早应用于生物分析和临床分析领域。

6. 2000

软光刻实现芯片上微阀、微泵。

7. 2001

创办期刊Lab on a Chip,专门用于收录微流控技术研究类文章。

8. 2002

微流控芯片大规模集成实现。

9. 2003

微流控技术被Forbes杂志列为“未来15年内影响人类最深“的发明之一。

10. 2004

微流控技术被Bussiness2.0杂志称作“改变未来的7种技术”之一。

开发微流控芯片需要考量的因素

要能够控制10-9~10-18L的极微量液体,那作为承载的芯片得是多么的精密呀!一块芯片从加工到最后成型经历了哪些步骤呢?每一步要考虑哪些技术问题呢?跟着小编一起来看看吧。

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1. 微流控芯片加工

这一步需考虑结构、成本、管道尺寸、能否量产等问题。目前技术有:

光刻和刻蚀技术、热压法、模塑法、注塑法、LIGA法(集合光刻、电铸和塑铸)、激光烧蚀法、软光刻

2. 微流控芯片封合

这一步需要考虑的问题有:高温性能退化、常温老化、选择点密封还是面密封、是否堵塞管道以及能否量产的问题。目前技术主要有:

Plasma/电离化键合、贴膜法、超声焊接、激光焊接、热压键合。

3. 微流控流体驱动

此步需要考虑的主要有泵、阀,包括是选择主动型还是被动型,以及是否稳定可靠等。另一方面需要考虑流体宽度、深度、腔室大小,采用定量分析还是定性分析等。目前驱动方法主要有:

光控法、电驱动、磁场法、挤压囊泡、膜片震动、泵推、离心力、剪切力。

4. 气溶胶污染设计

这一步骤需要考虑选择什么材质或者方法手段尽可能减少气溶胶污染。目前可以采取的方法如下:

密封反应体系后扩增、全密封体系、硅油密封、加入样本后,密封加样孔、卡扣结构,手工密封。

5. 仪器信号检测

对微流控液滴信号进行采集,此处涉及到的主要技术有:

可视化读出、电信号读出和扩增曲线。

6. 配套软件系统

当然,一个好的微流控系统光有芯片是不够的,还需要一个简单实用软件系统,这样可以大大提升使用者的体验哦。

热门应用领域

1. IVD(体外诊断)

微流控芯片IVD产品在某些方面具有颠覆性优势,必将发展成为主流的体外检测技术。

1.1 器官芯片

器官芯片是指在一块微流控芯片平台上模拟器官功能的一种科学技术,是2016世界达沃斯论坛评选的“十大新兴技术”之一。其主要目标是通过在芯片上模拟生物体的环境,进行细胞、组织和器官培养,研究并控制细胞在体外培养过程中的生物学行为,从而实现模拟生物体环境的器官移植和药性评价等。器官芯片使一个复杂的系统,目前已有肾芯片、肝芯片、胰岛芯片、肠芯片、血管糖鄂芯片和肿瘤新品等的临床应用。

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1.2 液体活检

以循环肿瘤细胞CTC检测为例,其在肿瘤分期检测、动态检测、疗效评估、药物开发和预后检测等方面具有重大意义,是一种可望用于替代肿瘤组织活检的液体活检新技术。然而,目前依赖于单一上皮源性抗体的CTC免疫富集及技术方法无法对不同分型的CTC进行全面的捕获、难于无损释放CTC、无法提供深度的分子病理信息。通过微流控技术,可以获得多条可识别不同CTC的高亲和力、高特异性的核酸序列,并且能够通过构建微流控微柱阵列芯片,实现CTC的高效捕获与无损释放。该方法在癌症的精准诊断、用药指导、疗效评估方面具有重要的应用前景。

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2. 环境和生化分析

将移动集成阀集成在芯片上,构建旋转分析平台,通过旋转阀控制通道间的链接与断开实现对流体的控制。将此方法与酶联比色免疫分析与芯片相结合,构建基于微流控芯片比色免疫传感器,根据显色信号的强度,对污染物浓度进行定量分析。利用此方法可对多种环境污染物进行分析,且操作简单、集成度高,具有良好的发展潜力。

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3. 单细胞分析

细胞是生命存在的基础,探索生命健康与疾病常需要以细胞研究为基础。由于细胞与细胞之间存在差异,群体细胞的研究结果只能得到一群细胞的平均值,这往往会掩盖个体差异信息。微流控芯片为细胞生物学功能研究提供了新思路。

4. 核酸分析

采用微流控芯片技术用于PCR扩增及相关检测可简化操作步骤及显著提高检测效率。在这方面,基于微流控技术的微液滴数字PCR(ddH2O)是一个成功的例证。数字PCR是一种新的核酸检测和定量方法,借助微液滴或微坑,通过单个模板分子的PCR扩增,可实现不依赖于标准曲线和参照样本的准确、绝对定量。数字PCR使得反应更灵敏、结果更可靠、展示更直观,尤其适用于微量或痕量DNA检测与定量。

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伯乐QX200 微滴式数字PCR系统

5. 药物筛选

药物筛选是现代药物开发流程中测试和获取特定生理活性化合物的一个步骤。微流控芯片技术由于具有样品消耗量小、速度快、柱效高以及所用溶液体系较接近生物体液组成等特点,已经成为一种非常具有潜力的药物及先导化合物的高效筛选工具。

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微流控芯片这个平台可以集成256个或者细胞培养腔微阵列,改变细胞常规培养方法,实现细胞药物筛选的高通量化;芯片微纳升级体积大大减少了试剂消耗量,减低药物筛选成本;微流控芯片设计的二维结构或者三维微结构区域可产生低剪切力,在腔室内形成浓度梯度,进而对药物进行毒性分析;微流控芯片集成化非常明显,将药物的合成分离富集、实验细胞培养、药物效果检测等多个步骤集成于一张芯片,实现了药物筛选的自动化分析。

结语

微流控技术近年来发展迅速,芯片集成的单元部件越来越多,且集成规模也越来越大,同时微流控芯片可以大量平行处理样本,具有通量高、分析速度快、物耗低、污染小的特点,使之为材料学、化学、生命科学、生物医学等领域的基础与应用提供了一个有力的平台。

尽管已经有了这么多令人兴奋和引人注目的发展,但是我们在微流体领域仍然面临着挑战,主要体现在理论研究概念和解决现实世界问题的实际技术之间的转化。因此,在未来,我们仍然应该将精力放在基础研究上面,推动领域的发展,但是同时也要注重微流体技术的运用,尤其是在高通量领域的运用。相信不久,微流控产品将会相继进入市场,为人类生命健康发展和生态环境保护起到重要的推动作用。


[来源:仪器信息网]

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编辑: 毛晓洁