微流控技術(shù)為在推動生物學(xué)眾多領(lǐng)域的強(qiáng)大工具做出了巨大貢獻(xiàn)

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，微流控技術(shù)為在推動生物學(xué)眾多領(lǐng)域的強(qiáng)大工具做出了巨大貢獻(xiàn)。隨著用于微通道中流體的注射、混合、泵送和存儲的新器件和工藝的發(fā)展，近年來微流控系統(tǒng)在化學(xué)和生物化學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。

盡管微流控技術(shù)近年來取得了一定進(jìn)展，但在樣品引入和處理一定體積范圍的流體方面仍然存在一些挑戰(zhàn)。納米技術(shù)的最新發(fā)展則有助于提升微流控技術(shù)。微系統(tǒng)已經(jīng)徹底改變了可用于分析復(fù)雜樣品的高靈敏度生物分析系統(tǒng)的發(fā)展。這些器件可用于多種領(lǐng)域，包括臨床診斷、污染監(jiān)測、藥物發(fā)現(xiàn)和生物危害檢測等。

生物學(xué)研究

微流控系統(tǒng)具有樣品要求低、測試表面積大、系統(tǒng)占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，是生物學(xué)研究的理想平臺。如今這些技術(shù)已被用于研究細(xì)胞和整個生物體。該技術(shù)簡化了其它繁瑣的操作，如流量控制、刺激傳遞和動物處理等。

目前，一些微型裝置已經(jīng)成功地用于研究響應(yīng)空間或時間刺激下的神經(jīng)元活動的變化參數(shù)。微流控技術(shù)在“迷宮實(shí)驗(yàn)”中對動物的感覺功能和運(yùn)動行為研究非常有幫助。該技術(shù)還可以進(jìn)行成像、表型篩選以及神經(jīng)再生研究。

微流控系統(tǒng)的關(guān)鍵用途之一是單細(xì)胞的分離和生化研究。事實(shí)上，據(jù)已報道的研究表示，現(xiàn)已通過微流控系統(tǒng)成功測量了單個大腸桿菌細(xì)胞中β-半乳糖苷酶的表達(dá)。

干細(xì)胞研究

干細(xì)胞研究極大地受益于微流控技術(shù)的進(jìn)步。與傳統(tǒng)方法相比，微型化有助于干細(xì)胞分析更加深入。將微流控技術(shù)與熒光顯微鏡等設(shè)備相結(jié)合，可以提供一種更加系統(tǒng)化的干細(xì)胞研究方法，同時也展現(xiàn)出了良好的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。

然而，為了更廣泛地應(yīng)用于復(fù)雜的干細(xì)胞研究問題，微流控的某些方面，如易用性、用于生產(chǎn)微流控器件的材料以及與其它系統(tǒng)集成等方面的問題還有待解決。

化學(xué)生物學(xué)研究

梯度

微流控技術(shù)可以控制通道中的流體層流流動，從而產(chǎn)生多個數(shù)量級的濃度梯度。目前已經(jīng)有一些研究使用這些梯度來分析蛋白梯度中的中性粒細(xì)胞的遷移和白細(xì)胞介素-8（IL-8）梯度中的人中性粒細(xì)胞趨化性。

凝膠結(jié)構(gòu)

當(dāng)在瓊脂凝膠或瓊脂糖凝膠中使用軟光刻工藝來構(gòu)建微流控系統(tǒng)時，它們可形成生物相容的微結(jié)構(gòu)，而該微結(jié)構(gòu)可以充當(dāng)容器，并且可用在有表型改變分子的情況下培養(yǎng)微生物細(xì)胞。

陣列

包含交叉微通道陣列的微流控系統(tǒng)還可用于與細(xì)胞或蛋白質(zhì)的分子相互作用的研究。此類系統(tǒng)已用于多種類型的檢測，包括病原微生物的檢測和血清樣品中蛋白質(zhì)的檢測。

液滴

微流控技術(shù)現(xiàn)已被用來設(shè)計能夠在微通道中產(chǎn)生微小液滴的系統(tǒng)。這些液滴體積非常?。ㄍǔＲ云ど秊橛嬃繂挝唬捎糜谝后w生物反應(yīng)器等一些大家比較關(guān)注的應(yīng)用中。

微流控稀釋器

微流控稀釋器可對溶液或試劑進(jìn)行一系列稀釋。當(dāng)用于實(shí)驗(yàn)時，它們就類似于96孔板（96-well plate），但是試劑使用量較少，并且相對容易操作。

微生物研究

如今微流控技術(shù)已經(jīng)使秀麗隱桿線蟲的研究成為可能。用于秀麗隱桿線蟲研究的芯片大致分為行為分析芯片、高分辨率成像芯片和片上培養(yǎng)的芯片，盡管沒有任一器件屬于單一類別。大多數(shù)器件是帶有通道、微腔或微柱的PDMS芯片。如圖1a所示，大多數(shù)器件都與載玻片粘合，因此與環(huán)境隔絕。這些器件還包含用于蠕蟲進(jìn)出的訪問端口。通道和微腔由液體介質(zhì)填充，通常是M9緩沖液，并且進(jìn)入端口允許介質(zhì)交換，從而能夠輸送可溶性化學(xué)刺激物。PDMS芯片也可以用于瓊脂表面，如圖1b所示。在這種情況下，蠕蟲在受控氣體環(huán)境下的同時還能夠在瓊脂表面爬行。通常，當(dāng)蠕蟲在瓊脂表面爬行或必須從菌苔進(jìn)食時，這些裝置更適合用于觀察。

圖1：用于秀麗隱桿線蟲實(shí)驗(yàn)的典型微流控器件。a）粘合到載玻片上的PDMS微流控器件實(shí)例，蠕蟲在充滿流體的通道中成像。入口允許流體交換、蠕蟲進(jìn)出。b）在瓊脂表面頂部用于研究蠕蟲在充氣室中行為的PDMS微流控器件實(shí)例。入口允許氣體交換以刺激輸入和控制氣體濃度。c）用于秀麗隱桿線蟲成像和分類實(shí)驗(yàn)的微流控芯片，顯示用注射器針頭和聚乙烯管連接到入口和出口導(dǎo)管。

新的緊湊型系統(tǒng)能夠在芯片上進(jìn)行行為分析、運(yùn)動研究或長期微生物培養(yǎng)。這項(xiàng)新技術(shù)有助于將蠕蟲處理和成像結(jié)合起來，從而促進(jìn)光遺傳學(xué)研究和基因篩選。

軟光刻技術(shù)制作用于秀麗隱桿線蟲研究的微流控器件

通過軟光刻快速成型技術(shù)制作PDMS微流控器件簡單、便宜且高效。整個過程可以在一天內(nèi)完成，而PDMS器件的成型只需要幾個小時。軟光刻技術(shù)是基于鑄造成型的概念。其基本過程如圖2所示。

圖2：用PDMS復(fù)型模具方法制作微流控器件。主制作步驟通常在潔凈室中進(jìn)行；復(fù)制步驟通常在實(shí)驗(yàn)室工作臺上完成。

微流控具有體積小、成本低、廢物產(chǎn)生少等諸多優(yōu)點(diǎn)，有利于生物學(xué)家和生物化學(xué)家展開進(jìn)一步的研究。展望未來，微流控技術(shù)將有望在單細(xì)胞分析、基于細(xì)胞的分析、基因表達(dá)分析和表型篩選等領(lǐng)域中創(chuàng)造更經(jīng)濟(jì)適用的方法，同時發(fā)揮出更大的作用，這些方法也將改變?nèi)蜥t(yī)療保健研究。