數(shù)字微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

近日，深圳大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)合作，在Biosensors and Bioelectronics期刊上發(fā)表了題為“Advanced design and applications of digital microfluidics in biomedical fields: An update of recent progress”的論文。該文章詳細(xì)介紹了數(shù)字微流控（DMF）技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注了數(shù)字微流控系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)和應(yīng)用，對(duì)于該領(lǐng)域的研究和商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。在該文章中，蘇州生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)研究所胡思怡老師和深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院柴語(yǔ)鵑老師為通訊作者，深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院楊成彬老師為該文第一作者。

隨著近幾十年來數(shù)字微流控技術(shù)的突破性發(fā)展，數(shù)字微流控技術(shù)在自動(dòng)微量液體操縱和復(fù)雜多步驟處理方面引起了廣泛關(guān)注。該文章首先詳細(xì)闡述了電潤(rùn)濕-介電效應(yīng)原理、數(shù)字微流控芯片的制造以及數(shù)字微流控系統(tǒng)的商業(yè)化進(jìn)程。隨后介紹了數(shù)字微流控在液滴和磁珠操縱方面的多種策略，為各種類型的醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。接著，作者綜合討論了基于數(shù)字微流控的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括自動(dòng)化樣品制備策略、免疫測(cè)定、分子診斷、血液處理/測(cè)試和微生物分析幾個(gè)大方向，同時(shí)還探索了酶活性評(píng)估和DNA存儲(chǔ)等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用。

此外，作者對(duì)每種生物分析方法的性能進(jìn)行了比較，并結(jié)合數(shù)字微流控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，深度解析了數(shù)字微流控技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和應(yīng)用。最后，作者從技術(shù)研究和轉(zhuǎn)化等角度系統(tǒng)總結(jié)了數(shù)字微流控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)和未來趨勢(shì)，展示了數(shù)字微流控在生物醫(yī)學(xué)，特別是檢驗(yàn)技術(shù)方面的廣泛應(yīng)用前景。

圖1 基于數(shù)字微流控的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用示意圖

樣品制備應(yīng)用

樣品制備是體外診斷的初始和關(guān)鍵步驟，包括裂解、混合、提取、稀釋、孵育等操作。在許多高通量的分析技術(shù)中（如高通量測(cè)序），樣本制備過程較為復(fù)雜。數(shù)字微流控可以通過全自動(dòng)反應(yīng)過程設(shè)置、加熱模塊的嵌入和磁珠捕獲等方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和溫度控制，大幅簡(jiǎn)化樣本制備，顯著減少操作時(shí)間，減少樣本損失，最終提升檢測(cè)效果。

圖 2 基于數(shù)字微流控的檢測(cè)樣品制備

免疫測(cè)定應(yīng)用

基于數(shù)字微流控的免疫檢測(cè)具有反應(yīng)體積小、效率高、時(shí)間短、靈敏度好等特點(diǎn)?；诳贵w-抗原反應(yīng)的基本原理和電極的驅(qū)動(dòng)，數(shù)字微流控系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種類型的免疫分析，如ELISA、化學(xué)發(fā)光分析和免疫熒光分析，甚至實(shí)現(xiàn)多靶標(biāo)的檢測(cè)。這種自動(dòng)化微體積系統(tǒng)不僅可以滿足高靈敏即時(shí)檢測(cè)的需求，還可以通過封閉系統(tǒng)的使用降低感染風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 基于數(shù)字微流控平臺(tái)的超靈敏免疫測(cè)定

分子診斷應(yīng)用

分子診斷涉及多步驟反應(yīng)，例如樣品裂解、RNA或DNA提取、純化、聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）或測(cè)序。分子診斷在數(shù)字微流控平臺(tái)上的應(yīng)用通常需要熱控制模塊的支持。與傳統(tǒng)PCR的溫度波動(dòng)不同，數(shù)字微流控可以通過在局部加溫并驅(qū)動(dòng)液體在不同溫度區(qū)域流動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分子擴(kuò)增，也可以使用等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)滿足這一要求。數(shù)字微流控在各種控制系統(tǒng)和模塊的支持下，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)從樣本處理到檢測(cè)的全自動(dòng)超操作，大大縮短了復(fù)雜樣品的分子檢測(cè)時(shí)間。

圖4 用于核酸擴(kuò)增反應(yīng)分子診斷的一體化數(shù)字微流控設(shè)備

血液處理和分析

血液檢查包括血型、凝血、離子等廣泛類別的檢測(cè)。血液分析的異質(zhì)性和特殊應(yīng)用需求引發(fā)了許多基于數(shù)字微流控的創(chuàng)新應(yīng)用。例如，在數(shù)字微流控系統(tǒng)中引入多孔膜可以實(shí)現(xiàn)血漿的自動(dòng)分離；通過對(duì)數(shù)字微流控表面血液流動(dòng)進(jìn)行錄像和機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析，可以模擬凝血過程，在較短時(shí)間完成凝血能力的評(píng)估，在臨床應(yīng)用中有很大的潛力。

圖5 用于血液處理和分析的數(shù)字微流控平臺(tái)

微生物分析

數(shù)字微流控被廣泛應(yīng)用于人體組織或環(huán)境樣品中的微生物檢測(cè)，既能夠?qū)崿F(xiàn)良好的檢測(cè)效果，又能夠保障操作的安全。目前，數(shù)字微流控平臺(tái)已被應(yīng)用到細(xì)菌分類試驗(yàn)（BC）和抗生素敏感性試驗(yàn)（AST）當(dāng)中，特別有利于實(shí)現(xiàn)并行操作和實(shí)時(shí)圖像處理，同時(shí)監(jiān)測(cè)多種細(xì)菌菌株和抗生素。

圖6 用于活微生物的數(shù)字微流控分析平臺(tái)

綜上所述，該論文所介紹的數(shù)字微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的突破性應(yīng)用給我們帶來了無限的想象空間，有望在新領(lǐng)域和新應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。同時(shí)，本領(lǐng)域也面對(duì)一些重大挑戰(zhàn)：

（1）樣本在芯片的注入和取出尚不能很好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；

（2）數(shù)字微流控芯片內(nèi)的多聯(lián)檢和高通量檢測(cè)需要通過芯片制備工藝、表面處理工藝等多重技術(shù)的配合才能更好地實(shí)現(xiàn)；

（3）部分常規(guī)檢測(cè)試劑的化學(xué)和生物成分在數(shù)字微流控的油性環(huán)境中需要進(jìn)行調(diào)整。隨著數(shù)字微流控技術(shù)的日益成熟，芯片的制造成本不斷降低，技術(shù)穩(wěn)定性也在逐漸增強(qiáng)，以上挑戰(zhàn)將會(huì)在未來的持續(xù)研究中得以克服，數(shù)字微流控技術(shù)將為生物醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用帶來更多的突破和進(jìn)步。

圖 7 數(shù)字微流控的挑戰(zhàn)與未來方向

審核編輯：劉清