一種用于疾病診斷的新型微流控芯片

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校（University of Minnesota Twin Cities）的一個(gè)研究小組創(chuàng)建了一種用于疾病診斷的新型微流控芯片，該芯片的組件較少，并可以通過智能手機(jī)進(jìn)行無線充電。這一項(xiàng)研究突破為更便捷、更經(jīng)濟(jì)的家用醫(yī)學(xué)檢測鋪平了道路。

相關(guān)研究成果現(xiàn)已在Nature Research旗下期刊Nature Communications上發(fā)表。研究人員目前也在努力推進(jìn)該技術(shù)的商業(yè)化。

微流控是指在微觀水平上研究和操縱流體的技術(shù)。開發(fā)“芯片實(shí)驗(yàn)室”——能夠利用微量生物樣本（如血液或尿液）檢測疾病的器件，是微流控領(lǐng)域最突出的應(yīng)用之一。

目前一些疾病已經(jīng)可以使用便攜式裝置進(jìn)行診斷，例如新冠肺炎（COVID-19）的快速抗原檢測。然而，功能復(fù)雜的診斷芯片（例如可用于識別特定COVID-19毒株或評估葡萄糖和膽固醇等生物標(biāo)志物的芯片）往往需要較多組件，因此阻礙了其開發(fā)進(jìn)度。這些芯片需要流體封裝材料、控制流體的泵和通道以及操作泵的電路——所有這些都很難縮小到微型尺寸。明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校的研究人員開發(fā)了一種不需要任何笨重組件的微流控器件。

明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系、研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Sang-Hyun Oh教授表示：“目前相關(guān)研究在微電子器件比例縮放方面已取得了極大的成功，但處理流體樣品的能力并沒有跟上。毫不夸張地說，整合一個(gè)最先進(jìn)的基于微流控技術(shù)的芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)非常費(fèi)力費(fèi)時(shí)。我們關(guān)心的是，有沒有可能完全擺脫芯片的封裝材料、電路和泵，從而使其結(jié)構(gòu)變得充分簡單?！?/p>

許多芯片實(shí)驗(yàn)室通過在微芯片上移動液滴，來識別樣品中的病毒病原體或細(xì)菌。明尼蘇達(dá)大學(xué)研究人員開發(fā)的新方法的靈感來自于葡萄酒飲用者會意識到的獨(dú)特的現(xiàn)象：由于酒精蒸發(fā)引起的表面張力，酒瓶內(nèi)會生成“腿”或長水滴。

該研究使用了Sang-Hyun Oh團(tuán)隊(duì)在2010年代初開發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，將小電極緊密放置在2cm x 2cm的芯片上，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電場，將液滴拖過器件并生成類似“腿”的流體，以識別里面的分子。

已有的封閉式電流體技術(shù)和最新的開放通道電流體技術(shù)對比

由于電極放置的非常緊密（它們之間只有10nm的距離），因此產(chǎn)生的電場非常強(qiáng)，以至于芯片可以在不到1伏的功率下運(yùn)行。由于所需的電壓極低，研究人員能夠利用來自智能手機(jī)的近場通信信號激活診斷芯片，該技術(shù)與商店中用于非接觸式支付的技術(shù)完全相同。

這是研究人員第一次能夠在不使用傳統(tǒng)微流控結(jié)構(gòu)的情況下，利用智能手機(jī)遠(yuǎn)程激活微通道，為更實(shí)惠、更易于使用的家用診斷器件發(fā)展鋪平了道路。

無線智能手機(jī)驅(qū)動和橫向流動蛋白質(zhì)標(biāo)記

論文的第一作者，明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系Christopher Ertsgaard博士表示：“在疫情期間，這是一個(gè)非常令人興奮的新概念。我想每個(gè)人都已經(jīng)意識到在家中進(jìn)行快速、即時(shí)診斷的重要性?，F(xiàn)在已有可用的技術(shù)，但我們需要更快、更靈敏的新技術(shù)。通過規(guī)?；?a href="http://ttokpm.com/tags/高通/" target="_blank">高通量生產(chǎn)，我們可以以更實(shí)惠的成本將這些復(fù)雜的技術(shù)用于家用診斷器件。”

為了將微芯片平臺商業(yè)化，Sang-Hyun Oh所在的實(shí)驗(yàn)室正在與生產(chǎn)家用診斷器件的明尼蘇達(dá)州GRIP Molecular Technologies（簡稱：GRIP）公司合作，以實(shí)現(xiàn)該芯片在識別流體樣品中的病原體、病毒、細(xì)菌和其他生物標(biāo)志物方面的廣泛應(yīng)用。

GRIP創(chuàng)始人兼總裁Bruce Batten表示：“要在商業(yè)上取得成功，家用診斷器件必須是低成本且易于使用的。類似Sang-Hyun Oh教授團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的低壓流體運(yùn)動，使我們能夠同時(shí)滿足這兩個(gè)要求。GRIP有幸與明尼蘇達(dá)大學(xué)合作開發(fā)我們的技術(shù)平臺。將基礎(chǔ)研究和轉(zhuǎn)化研究聯(lián)系起來對于開發(fā)一系列創(chuàng)新的轉(zhuǎn)型產(chǎn)品至關(guān)重要?！?/p>

除了Sang-Hyun Oh和Christopher Ertsgaard，研究團(tuán)隊(duì)成員還包括明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的Daniel Klemme（2019級博士生）和Daehan Yoo（2016級博士生），以及博士在讀的Peter Christenson。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29405-2

審核編輯 ：李倩