微流控技術(shù)的研究發(fā)展及應(yīng)用前景

微流控芯片技術(shù)是生物芯片的基石，它通過多學(xué)科交叉將化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域所涉及的樣品預(yù)處理、生化反應(yīng)、分選及檢測(cè)等過程集成到幾平方厘米的芯片上，從而實(shí)現(xiàn)從樣品前處理到后續(xù)分析的微型化、自動(dòng)化、集成化和便攜化的技術(shù)。早在2003年，微流控技術(shù)就被福布斯（Forbes）雜志評(píng)為影響人類未來15件最重要的發(fā)明之一。這項(xiàng)技術(shù)使得實(shí)驗(yàn)室研究產(chǎn)生了革命性的變化，并在生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。我們來看看微流控技術(shù)目前的研究發(fā)展及應(yīng)用前景。

微流控芯片細(xì)胞分離

通過不同的分選原理，微流控芯片可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同細(xì)胞的分離。以CTC（循環(huán)腫瘤細(xì)胞）為例，CTC是一類由癌變部位釋放并進(jìn)入血液中的癌細(xì)胞，在癌癥的早期診斷、個(gè)體化及腫瘤轉(zhuǎn)移機(jī)制研究等方面的有著廣泛作用。微流控芯片對(duì)于CTC主要有兩大類分選方法：基于癌細(xì)胞與正常細(xì)胞或血細(xì)胞間生物學(xué)性質(zhì)（包括細(xì)胞表面蛋白表達(dá)水平、細(xì)胞活性和侵潤能力等）差異，以及基于它們之間物理性質(zhì)（包括尺寸、密度、細(xì)胞表面電荷量和變形性等）差異。

這里主要講一下第一種。親和性分選（根據(jù)化學(xué)性質(zhì)）是微流控芯片細(xì)胞分選中最經(jīng)典的方法，通過在芯片內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)上固定能與目標(biāo)細(xì)胞結(jié)合的特定的抗體或配體，當(dāng)樣品流經(jīng)微通道時(shí)，固定在微通道中的抗體通過與細(xì)胞表面抗原特異性結(jié)合將CTC捕獲并保留在芯片內(nèi)，其他細(xì)胞隨緩沖液流出芯片。常用的CTC捕獲抗體有人上皮細(xì)胞黏附分子（EpCAM）和白細(xì)胞共同抗原CD45。

研究人員通過增大了細(xì)胞與芯片中的抗體/襯底等結(jié)構(gòu)的接觸面積、借助磁場(chǎng)與磁性材料、組合使用含不同細(xì)胞表面抗原的芯片等手段，可顯著提高轉(zhuǎn)移性肺癌、前列腺癌、胰腺癌、乳腺癌、結(jié)腸癌等癌癥中CTC的檢出率和純度。通過微流控芯片，CTC細(xì)胞在全血中分離回收時(shí)甚至可能依舊保持生物活性，可以進(jìn)一步進(jìn)行蛋白質(zhì)或核酸內(nèi)容物的分析。

即時(shí)檢驗(yàn)和臨床診斷

微流控檢測(cè)芯片一般具有樣品消耗少、檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)便、多功能集成、體小和便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，因此特別適合發(fā)展床邊（POC）診斷，具有簡(jiǎn)化診斷流程、提高醫(yī)療結(jié)果的巨大潛力。在診斷方面，一個(gè)最典型的例子就是腫瘤。除了CTC以外，微流控芯片還可應(yīng)用于 ctDNA（循環(huán)腫瘤DNA）甚至外泌體的檢測(cè)，這些生物標(biāo)志物在血液中含量很少，傳統(tǒng)方法難以檢測(cè)，但微流控芯片所需的樣本量不大，發(fā)展起來后將是一個(gè)絕佳的解決方案。而這些生物標(biāo)志物所蘊(yùn)含的豐富信息量無疑能為腫瘤患者的診斷和治療提供極大的幫助和支持。

藥物活性、毒性研究

在藥物領(lǐng)域，微流控芯片也有著諸多應(yīng)用。比如干細(xì)胞芯片，可克服現(xiàn)有的干細(xì)胞進(jìn)行體外研究的局限性，通過實(shí)時(shí)精確控制干細(xì)胞微環(huán)境中的各種因素，盡可能地模擬干細(xì)胞生長分化的復(fù)雜環(huán)境。更神奇的是能模擬器官與組織之間不同相互作用的“器官”芯片，如哈佛大學(xué)的研究人員曾采用由肺細(xì)胞、滲透膜及毛細(xì)血管制成的“芯片肺”（類似于網(wǎng)孔的滲透膜上排列著人體細(xì)胞，上方為充滿氣體的“肺泡”通道，下方為充滿液體的“毛細(xì)血管”）用真空循環(huán)模擬肺的呼吸，再現(xiàn)了臨床中癌癥患者使用白介素- 2 導(dǎo)致肺水腫的藥物毒性。 “器官”芯片將有望加速新藥開發(fā)的進(jìn)程，并最終取代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)用于藥物的測(cè)試和毒理測(cè)試。

此外，在藥物輸送系統(tǒng)中，微流控技術(shù)也能夠大展身手。微流控技術(shù)操控下的流體具有獨(dú)特的性質(zhì)，能實(shí)現(xiàn)一系列常規(guī)方法所難以完成的微粒加工，所以它有利于制備結(jié)構(gòu)高度均一、單分散性的納米粒；有利于快速高效地篩選載體材料、尤其是常規(guī)方法中不易組裝形成納米粒的載體材料可通過微流控組裝工藝得以重新利用；有利于納米結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)可調(diào)控組裝；還有利于設(shè)計(jì)多功能化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的納米藥物輸送系統(tǒng)。只是目前，微控流技術(shù)由于體積小，尚難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的制劑生產(chǎn)。相信未來，科學(xué)家們?cè)谶@一方面也會(huì)有所突破。

微流控芯片3D打印

隨著微流控芯片技術(shù)的逐漸展開及微分析技術(shù)的需求，芯片構(gòu)型設(shè)計(jì)越加豐富，這就對(duì)芯片的制造也提出的更高的要求。近年來隨著 3D 打印技術(shù)的興起，越來越多的研究者嘗試使用 3D 打印技術(shù)加工微流控芯片。相比于傳統(tǒng)的微加工技術(shù)，3D 打印微流控芯片技術(shù)顯示出了其設(shè)計(jì)加工快速、材料適應(yīng)性廣、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。早期的基于 3D 打印的微流控芯片技術(shù)普遍使用倒模的方法，通過3D 打印出熱塑性材料的模具后使用 PDMS 進(jìn)行倒模。而如今，3D 打印微流控芯片技術(shù)的發(fā)展更加迅速，出現(xiàn)了整合生物傳感器、高通量、多層芯片、實(shí)時(shí)生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等多種芯片，紙基 3D 打印微流控芯片技術(shù)也迎來了新發(fā)展，出現(xiàn)了3D打印制成的具有集成金屬電極的紙基微流控芯片。

3D打印微流控芯片的近期發(fā)展

可以看到，無論是制備、結(jié)構(gòu)升級(jí)和臨床應(yīng)用的開發(fā)方面，微流控技術(shù)芯片的發(fā)展都如火如荼。作為最前沿的交叉學(xué)科技術(shù)，微流控技術(shù)與干細(xì)胞、基因編輯、疾病模擬、疾病診斷、預(yù)后管理等交集緊密，從基礎(chǔ)到臨床，是科研工作者和臨床醫(yī)生都需要關(guān)注的熱點(diǎn)前沿。我們希望看到各領(lǐng)域的專家都能踴躍交流最前沿的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，讓這項(xiàng)技術(shù)惠及更多患者。