新發(fā)現(xiàn)將傳統(tǒng)微流控技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放式微流控技術(shù)

蒙特利爾工學(xué)院（Polytechnique Montréal）的教授Thomas Gervais和他的學(xué)生Pierre-Alexandre Goyette和étienne Boulais，與麥吉爾大學(xué)（McGill University）David Juncker教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種新型微流控工藝，旨在通過抗體自動(dòng)檢測蛋白質(zhì)。這項(xiàng)發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上的工作，指出了新型便攜式儀器的出現(xiàn)，加速了生物實(shí)驗(yàn)室的篩選過程和分子分析，以加快癌癥生物學(xué)的研究。

從傳統(tǒng)微流控到開放式微流控

微流控指微尺度裝置中的流體操縱。通常被稱為“芯片實(shí)驗(yàn)室”，微流控系統(tǒng)被用于研究和分析非常小規(guī)模的化學(xué)或生物樣品，取代用于傳統(tǒng)生物分析的極其昂貴且繁瑣的儀器。麻省理工技術(shù)評論在2001年將其列入“10大改變世界的新興技術(shù)”，微流控技術(shù)被認(rèn)為是生物學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的革命，就像微處理器之于電子和IT市場，微流控技術(shù)適用于更大的市場。

如今，這個(gè)仍然年輕的學(xué)科，在2000年代以微通道網(wǎng)絡(luò)組成的封閉系統(tǒng)開始起飛，蒙特利爾工學(xué)院和麥吉爾大學(xué)研究人員的發(fā)現(xiàn)正在革新這項(xiàng)技術(shù)，加強(qiáng)了開放空間微流控技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

這種消除通道的微流控技術(shù)與用于特定類型分析的傳統(tǒng)微流控技術(shù)相比更具競爭優(yōu)勢。實(shí)際上，閉合通道微流控裝置的經(jīng)典配置存在若干缺點(diǎn)：通道橫截面的規(guī)模增加了細(xì)胞在培養(yǎng)時(shí)所經(jīng)受的壓力，它們與細(xì)胞培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)和培養(yǎng)皿不兼容，使得該行業(yè)很難采用傳統(tǒng)微流控技術(shù)。

蒙特利爾工學(xué)院和麥吉爾大學(xué)研究人員探索出來的新方法基于微流控多極（microfluidic multipoles, MFMs），這是一種通過非常小表面上相對的微開口同步流體抽吸的系統(tǒng)，該表面被放置在厚度小于1毫米的有限空間內(nèi)。Gervais教授表示，“當(dāng)它們彼此接觸時(shí)，這些流體噴射形成的圖案可以通過化學(xué)試劑染色被看到。我們希望在開發(fā)可靠的微流控多極建模方法的同時(shí)，能夠理解這些圖案。”

優(yōu)雅的視覺對稱讓人聯(lián)想到藝術(shù)家M. C. Escher的作品

為了理解這些圖案，Gervais教授的團(tuán)隊(duì)必須為開放的多極流開發(fā)一種新的數(shù)學(xué)模型。該模型基于被稱為共形映射的經(jīng)典數(shù)學(xué)分支，通過將其簡化為更簡單的幾何圖形來解決與復(fù)雜幾何圖形相關(guān)的問題（反之亦然）。

博士生étienne Boulais首先開發(fā)出一款在多流體偶極子中研究微噴射碰撞（只有兩個(gè)開口的微流控多極）的模型，然后，依靠這個(gè)數(shù)學(xué)理論，推測擁有多個(gè)開口的微流控多極模型。他解釋道，“我們可以用象棋游戲進(jìn)行類比，這其中有4名玩家的版本，然后是6名玩家或8名玩家，在保持相同游戲規(guī)則的同時(shí)應(yīng)用空間變形技術(shù)?！?/p>

這位對視覺藝術(shù)充滿熱情的年輕研究員補(bǔ)充道，“當(dāng)進(jìn)行共形映射時(shí)，由流體噴射碰撞產(chǎn)生的圖案形成對稱圖像，使人聯(lián)想到荷蘭藝術(shù)繪畫家M.C. Escher，但是遠(yuǎn)超其美學(xué)吸引力，我們的模型允許我們描述分子在流體中移動(dòng)的速度及其濃度。我們?yōu)樽疃?2個(gè)極點(diǎn)的所有可能系統(tǒng)配置定義了有效規(guī)則，以生成各種流體和擴(kuò)散模式?！?/p>

因此，該方法是一套完整的工具集，不僅可以模制并解釋微流控多極中出現(xiàn)的現(xiàn)象，還可以探索新的配置。歸功于這種方法，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化開放式微流控測試，在此之前，對這種測試的探索只能通過反復(fù)試驗(yàn)。

使用3D打印制造該裝置

微流控多極裝置的設(shè)計(jì)和制造由Pierre-Alexandre Goyette完成。該裝置是一種由樹脂制成的小型探頭，采用低成本3D打印工藝，并將其連接到泵和噴射器系統(tǒng)。

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的博士生指出，“Juncker教授團(tuán)隊(duì)用固定在表面上的抗體檢測蛋白質(zhì)方面的專業(yè)知識，對于該項(xiàng)目的生物學(xué)研究具有重要意義。通過分析獲得的結(jié)果驗(yàn)證了我的同事étienne所開發(fā)模型的準(zhǔn)確性。”

該裝置允許同時(shí)使用多種試劑檢測同一樣品中的各種分子，為生物學(xué)家節(jié)省了寶貴的時(shí)間。針對特定類型的測試，分析時(shí)間可以從幾天減少到幾小時(shí)，甚至是幾分鐘。此外，該技術(shù)的多功能性使其適用于多種分析過程，包括免疫學(xué)和DNA測試。

朝著微流控顯示器發(fā)展？

Gervais教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在考慮其項(xiàng)目的下一步發(fā)展計(jì)劃：開發(fā)一款能夠顯示化學(xué)成像的屏幕。

Gervais教授解釋道，“它將成為液晶顯示器的一種化學(xué)等價(jià)物，就像我們在屏幕上移動(dòng)電子一樣，我們會(huì)發(fā)送各種濃度的流體噴射，這些流體會(huì)與表面發(fā)生反應(yīng)。它們將共同形成一個(gè)圖像。能夠推進(jìn)這個(gè)項(xiàng)目令我們感到很高興，同時(shí)我們也已經(jīng)獲得了一項(xiàng)臨時(shí)專利申請?！?/p>

重新制定診斷程序和醫(yī)療后續(xù)行動(dòng)

目前，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的技術(shù)主要針對基礎(chǔ)研究市場。Gervais教授指出，“我們的工藝可以同時(shí)將細(xì)胞暴露于多種試劑，能夠幫助生物學(xué)家大規(guī)模研究蛋白質(zhì)和試劑之間的相互作用，增加分析過程中獲得的信息數(shù)量和質(zhì)量?！?/p>

他隨后解釋道，制藥市場也將受益于這一發(fā)現(xiàn)所帶來的自動(dòng)化篩選系統(tǒng)新方法。最后，它通過促進(jìn)患者細(xì)胞培養(yǎng)和各種藥物實(shí)驗(yàn)來確定哪些藥物對患者最有效，從而為藥物開發(fā)開辟了一條新途徑。