從三方面介紹微流控技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

微流控技術(shù)（Microfluidics）是一種用來操縱極微量液體（10-9~10-18L）的新型技術(shù)平臺(tái)。微流控技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生物學(xué)問題研究，其主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)是將細(xì)胞培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)處理及成像、檢測(cè)等步驟高度集成于一張芯片上。

微流控技術(shù)問世至今，不過近30年歷史，但其發(fā)展迅猛，被稱為下一代醫(yī)療診斷“顛覆性技術(shù)”。本篇文章將從微流控技術(shù)發(fā)展重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)、開發(fā)微流控芯片需要考量的主要因素以及熱門應(yīng)用領(lǐng)域三方面簡單介紹微流控技術(shù)。

微流控技術(shù)發(fā)展的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)

1. 20世紀(jì)90年代

Manz、Harison等人開展早期的芯片電泳研究，并提出了微-全分析系統(tǒng)（μ-TAS）的概念。

2. 1994

Ramsy等在Manz的研究基礎(chǔ)上，改進(jìn)了芯片毛細(xì)管電泳進(jìn)樣方法，提高了其性能，同年，首屆μ-TAS會(huì)議在荷蘭召開。

3. 1995

首家從事微流控技術(shù)的Caliper公司成立，相關(guān)企業(yè)微流控技術(shù)研發(fā)也在緊密進(jìn)行。

4. 1998

Whiteside提出用PDMS制作芯片的快速模板復(fù)制法

5. 1999

HP（Agilent）和Caliper公司聯(lián)合推出首臺(tái)微流控芯片商品化儀器，最早應(yīng)用于生物分析和臨床分析領(lǐng)域。

6. 2000

軟光刻實(shí)現(xiàn)芯片上微閥、微泵。

7. 2001

創(chuàng)辦期刊Lab on a Chip，專門用于收錄微流控技術(shù)研究類文章。

8. 2002

微流控芯片大規(guī)模集成實(shí)現(xiàn)。

9. 2003

微流控技術(shù)被Forbes雜志列為“未來15年內(nèi)影響人類最深“的發(fā)明之一。

10. 2004

微流控技術(shù)被Bussiness2.0雜志稱作“改變未來的7種技術(shù)”之一。

開發(fā)微流控芯片需要考量的因素

要能夠控制10-9~10-18L的極微量液體，那作為承載的芯片得是多么的精密呀！一塊芯片從加工到最后成型經(jīng)歷了哪些步驟呢？每一步要考慮哪些技術(shù)問題呢？跟著小編一起來看看吧。

1. 微流控芯片加工

這一步需考慮結(jié)構(gòu)、成本、管道尺寸、能否量產(chǎn)等問題。目前技術(shù)有：

光刻和刻蝕技術(shù)、熱壓法、模塑法、注塑法、LIGA法（集合光刻、電鑄和塑鑄）、激光燒蝕法、軟光刻

2. 微流控芯片封合

這一步需要考慮的問題有：高溫性能退化、常溫老化、選擇點(diǎn)密封還是面密封、是否堵塞管道以及能否量產(chǎn)的問題。目前技術(shù)主要有：

Plasma/電離化鍵合、貼膜法、超聲焊接、激光焊接、熱壓鍵合。

3. 微流控流體驅(qū)動(dòng)

此步需要考慮的主要有泵、閥，包括是選擇主動(dòng)型還是被動(dòng)型，以及是否穩(wěn)定可靠等。另一方面需要考慮流體寬度、深度、腔室大小，采用定量分析還是定性分析等。目前驅(qū)動(dòng)方法主要有：

光控法、電驅(qū)動(dòng)、磁場(chǎng)法、擠壓囊泡、膜片震動(dòng)、泵推、離心力、剪切力。

4. 氣溶膠污染設(shè)計(jì)

這一步驟需要考慮選擇什么材質(zhì)或者方法手段盡可能減少氣溶膠污染。目前可以采取的方法如下：

密封反應(yīng)體系后擴(kuò)增、全密封體系、硅油密封、加入樣本后，密封加樣孔、卡扣結(jié)構(gòu)，手工密封。

5. 儀器信號(hào)檢測(cè)

對(duì)微流控液滴信號(hào)進(jìn)行采集，此處涉及到的主要技術(shù)有：

可視化讀出、電信號(hào)讀出和擴(kuò)增曲線。

6. 配套軟件系統(tǒng)

當(dāng)然，一個(gè)好的微流控系統(tǒng)光有芯片是不夠的，還需要一個(gè)簡單實(shí)用軟件系統(tǒng)，這樣可以大大提升使用者的體驗(yàn)哦。

熱門應(yīng)用領(lǐng)域

1. IVD（體外診斷）

微流控芯片IVD產(chǎn)品在某些方面具有顛覆性優(yōu)勢(shì)，必將發(fā)展成為主流的體外檢測(cè)技術(shù)。

1.1 器官芯片

器官芯片是指在一塊微流控芯片平臺(tái)上模擬器官功能的一種科學(xué)技術(shù)，是2016世界達(dá)沃斯論壇評(píng)選的“十大新興技術(shù)”之一。其主要目標(biāo)是通過在芯片上模擬生物體的環(huán)境，進(jìn)行細(xì)胞、組織和器官培養(yǎng)，研究并控制細(xì)胞在體外培養(yǎng)過程中的生物學(xué)行為，從而實(shí)現(xiàn)模擬生物體環(huán)境的器官移植和藥性評(píng)價(jià)等。器官芯片使一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，目前已有腎芯片、肝芯片、胰島芯片、腸芯片、血管糖鄂芯片和腫瘤新品等的臨床應(yīng)用。

1.2 液體活檢

以循環(huán)腫瘤細(xì)胞CTC檢測(cè)為例，其在腫瘤分期檢測(cè)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、療效評(píng)估、藥物開發(fā)和預(yù)后檢測(cè)等方面具有重大意義，是一種可望用于替代腫瘤組織活檢的液體活檢新技術(shù)。然而，目前依賴于單一上皮源性抗體的CTC免疫富集及技術(shù)方法無法對(duì)不同分型的CTC進(jìn)行全面的捕獲、難于無損釋放CTC、無法提供深度的分子病理信息。通過微流控技術(shù)，可以獲得多條可識(shí)別不同CTC的高親和力、高特異性的核酸序列，并且能夠通過構(gòu)建微流控微柱陣列芯片，實(shí)現(xiàn)CTC的高效捕獲與無損釋放。該方法在癌癥的精準(zhǔn)診斷、用藥指導(dǎo)、療效評(píng)估方面具有重要的應(yīng)用前景。

2. 環(huán)境和生化分析

將移動(dòng)集成閥集成在芯片上，構(gòu)建旋轉(zhuǎn)分析平臺(tái)，通過旋轉(zhuǎn)閥控制通道間的鏈接與斷開實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的控制。將此方法與酶聯(lián)比色免疫分析與芯片相結(jié)合，構(gòu)建基于微流控芯片比色免疫傳感器，根據(jù)顯色信號(hào)的強(qiáng)度，對(duì)污染物濃度進(jìn)行定量分析。利用此方法可對(duì)多種環(huán)境污染物進(jìn)行分析，且操作簡單、集成度高，具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3. 單細(xì)胞分析

細(xì)胞是生命存在的基礎(chǔ)，探索生命健康與疾病常需要以細(xì)胞研究為基礎(chǔ)。由于細(xì)胞與細(xì)胞之間存在差異，群體細(xì)胞的研究結(jié)果只能得到一群細(xì)胞的平均值，這往往會(huì)掩蓋個(gè)體差異信息。微流控芯片為細(xì)胞生物學(xué)功能研究提供了新思路。

4. 核酸分析

采用微流控芯片技術(shù)用于PCR擴(kuò)增及相關(guān)檢測(cè)可簡化操作步驟及顯著提高檢測(cè)效率。在這方面，基于微流控技術(shù)的微液滴數(shù)字PCR（ddH2O）是一個(gè)成功的例證。數(shù)字PCR是一種新的核酸檢測(cè)和定量方法，借助微液滴或微坑，通過單個(gè)模板分子的PCR擴(kuò)增，可實(shí)現(xiàn)不依賴于標(biāo)準(zhǔn)曲線和參照樣本的準(zhǔn)確、絕對(duì)定量。數(shù)字PCR使得反應(yīng)更靈敏、結(jié)果更可靠、展示更直觀，尤其適用于微量或痕量DNA檢測(cè)與定量。

伯樂QX200 微滴式數(shù)字PCR系統(tǒng)

5. 藥物篩選

藥物篩選是現(xiàn)代藥物開發(fā)流程中測(cè)試和獲取特定生理活性化合物的一個(gè)步驟。微流控芯片技術(shù)由于具有樣品消耗量小、速度快、柱效高以及所用溶液體系較接近生物體液組成等特點(diǎn)，已經(jīng)成為一種非常具有潛力的藥物及先導(dǎo)化合物的高效篩選工具。

微流控芯片這個(gè)平臺(tái)可以集成256個(gè)或者細(xì)胞培養(yǎng)腔微陣列，改變細(xì)胞常規(guī)培養(yǎng)方法，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞藥物篩選的高通量化；芯片微納升級(jí)體積大大減少了試劑消耗量，減低藥物篩選成本；微流控芯片設(shè)計(jì)的二維結(jié)構(gòu)或者三維微結(jié)構(gòu)區(qū)域可產(chǎn)生低剪切力，在腔室內(nèi)形成濃度梯度，進(jìn)而對(duì)藥物進(jìn)行毒性分析；微流控芯片集成化非常明顯，將藥物的合成分離富集、實(shí)驗(yàn)細(xì)胞培養(yǎng)、藥物效果檢測(cè)等多個(gè)步驟集成于一張芯片，實(shí)現(xiàn)了藥物篩選的自動(dòng)化分析。

結(jié)語

微流控技術(shù)近年來發(fā)展迅速，芯片集成的單元部件越來越多，且集成規(guī)模也越來越大，同時(shí)微流控芯片可以大量平行處理樣本，具有通量高、分析速度快、物耗低、污染小的特點(diǎn)，使之為材料學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)與應(yīng)用提供了一個(gè)有力的平臺(tái)。

盡管已經(jīng)有了這么多令人興奮和引人注目的發(fā)展，但是我們?cè)谖⒘黧w領(lǐng)域仍然面臨著挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在理論研究概念和解決現(xiàn)實(shí)世界問題的實(shí)際技術(shù)之間的轉(zhuǎn)化。因此，在未來，我們?nèi)匀粦?yīng)該將精力放在基礎(chǔ)研究上面，推動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展，但是同時(shí)也要注重微流體技術(shù)的運(yùn)用，尤其是在高通量領(lǐng)域的運(yùn)用。相信不久，微流控產(chǎn)品將會(huì)相繼進(jìn)入市場(chǎng)，為人類生命健康發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到重要的推動(dòng)作用。