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微流控技术起源简介

1.微流体学之前一段历史

微流控技术历史

今天,微流控技术是一个独特和主要的技术领域,但20多年前它并不像这样,它的界限也没有那么明确。微流体学的历史与其他几个领域密切相关。在微流体学是一门独立的科学之前,通过借助这些领域的方法和材料来促进其兴起和发展。这就是为什么在谈到微流体学的发展时,你会遇到与该领域没有直接联系的词汇和名称,但却是理解其起源的基础。在第一个故事中,我们决定谈论集成电路和光刻技术,这两种“旧”技术是在微流体学之前诞生的,但经常被用来促进其增长。

微流控技术时间表

微流控时间表。附图说明(时间顺序):( a)PDMS化学结构; (b)道康宁公司成立于米德兰(1943年),从事有机硅工作(图像来源 - IHS媒体); (c)由Jack Kilby(1958)创建的第一个工作锗IC(图片来自德州仪器); (d)通过复制成型获得的图案化PDMS微结构的SEM图像[8]。(e)PDMS微流体芯片。PDMS是由Whitesides在1998年作为微流体材料引入的; (f)用于操纵和控制离散液滴和气泡的数字微流体; (g)器官芯片的一个例子,这是一种允许细胞接种以重建特定人体组织或器官的微环境和微结构的装置; (h)纸质微流体装置可用作低成本,便携式诊断工具,因此在紧急情况和资源有限的地区特别有用。

集成电路技术之父

集成电路(IC)技术和光刻技术的发展齐头并进。集成电路的第一次发展是在1949年由德国工程师维尔纳·雅克比(Werner Jacobi)和几年后由英国雷达科学家杰弗里·杜默(Geoffrey Dummer)完成的。然而,Jack Kilby和Robert Noyce被认为是集成电路技术的共同发明人,尽管他们分别工作(图1和图2)。

Robert Noyce和硅基集成电路

1. Robert Noyce和硅基集成电路。

1958年,杰克·基尔比(Jack Kilby)开始在德克萨斯仪器公司(Texas Instruments)的微型模块项目中工作。该项目由美国陆军信号部队(US Army Signal Corps)赞助,其目标是用集成电线创造出统一大小和形状的组件,这些集成电线可以很容易地组装成电路。那年夏天,Kilby没有假期,开始独自在实验室里工作,开发出一种想法,即可以在同一块半导体材料上制造无源(电阻和电容)和有源(晶体管)组件。同年9月,他展示了第一个锗制集成电路。在Kilby的发明获得专利六个月后,物理学家和Fairchild Semiconductor联合创始人Robert Noyce认识到锗作为集成电路材料的局限性,开始研究硅集成电路,这就是为什么集成电路有两个父亲的原因。这一发现从根本上改变了社会,它被用于制造用于医疗、交通、娱乐和通信领域的计算机和电子设备,并使阿波罗登月计划等成为可能。

Jack Kilby展示了1982年的集成电路

2. Jack Kilby展示了1982年的集成电路。

1.光刻技术

光刻技术是在20世纪50年代早期发明的,当时美国国家标准局(NBS, then US Army Diamond Ordinance Fuze Laboratory, DOFL)推动了一项计划,以开发新的方法,获得可以轻松集成到military proximity fuzes中的小型电子电路。从1952年起,Jay Lathrop和James R. Nall开始使用光刻胶来制作锗。他们通过特殊改良的三目显微镜投射光线。因此,他们创造了一种锗晶体管,可以很容易地集成到小型化的晶体管-陶瓷混合电路中。Lathrop和Nall写了一篇论文,并在1958 - 1959年为他们的发现申请了专利,创造了photolithography这个词。拉斯罗普自己宣称:操作实际上是involved etching,而不是lithography。然而,photolithography听起来比photoetching要高级,这个不恰当词一直沿用至今。Lathrop和Nall并不是唯一研究这一课题的研究人员。从1955年起,贝尔实验室的Andrus Jules和Walter L. Bond也开发了蚀刻(photoengraving)技术,通过使用氧化物层在硅半导体上生成图案,1964年获得专利(美国授予US3122817A)。

Lathrop和Nall关于半导体制造的专利,1959年

3. Lathrop和Nall关于半导体制造的专利,1959年

2.微流控的最佳搭档

正如Whitesides所述,微流控有四个搭档:分子生物学,分子分析,国家安全和微电子学(molecular biology, molecular analysis, national security and microelectronics)。

最古老的被认为是分子分析,其中包括气相色谱(GPC)或毛细管电泳(CE)等方法。这些技术从20世纪50年代和60年代开发,通过在狭窄的试管或毛细管中流动少量样品,可以分离化合物或生物分子,达到高灵敏度和分辨率(图4)。

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4 。(A)Stellan Hjertén教授,他在1967年首次使用毛细管进行电泳,并使用自动化版毛细管自由区电泳仪(图像源)。(B)控制阿波罗航天器的计算机的逻辑或非IC组件(1960年代)和(C) PCR机的原型“Baby Blue”,PCR机器的原型:软件控制器与热循环块集成,1986年(图片来自 Science Museum Group)。

最着名的微流控搭档是微电子学:最初研究人员试图直接将制造方法和材料从微电子技术应用到微流体学:光刻以及硅和玻璃是微流体阶段的第一批参与者。直到后来微流体才通过使用新的特定微加工方法和材料从微电子和半导体技术中分离出来。

微流体学的一个鲜为人知但关键的先行者是军事检测。从1994年开始,DARPA(美国国防高级研究计划局)为微机电系统(MEMS)的发展以及小型化和便携式“芯片实验室”的发展作出了重大贡献,其主要目标是检测化学和生物武器。

分子生物学,特别是20世纪80年代的基因组学,作为其第四个“搭档”,在微流体诞生和进化方面做出了巨大贡献。科学家对核酸研究和测序的兴趣促使开发了能够处理小样本的测序仪,以确保高灵敏度读数。一个著名的例子,PCR用于通过加热扩增DNA序列的(聚合酶链式反应)技术是在20世纪80年代早期由Kary Mullis开发的。反应需要少量液体,通常为10-200μl,因此需要精密设备。最初,由于缺乏自动化设备,反应是一个耗时的多步骤过程,必须手动执行。第一台商用机器,简单的热循环仪,于1987年开发; 它使过程可靠,其小尺寸使得可以小型化操作以及在实验室外工作。

3. 从MICROFLUIDIC LAB-ON-A-CHIP 到ΜTAS概念

20世纪50年代开始,人们越来越关注设计小型化系统和组件,由于新技术以在半导体上创建复杂的3D微图案,使设计小型化系统和组件成为可能。研究从小型化传感器,传感器和其他组件,然后将它们与微型计算机集成,以获得便携式(小尺寸)集成平台,用作环境或医疗监视器/测量系统。

斯坦福大学的Stephen Terry开展了一项开创性的工作,他在20世纪70年代中期生产了一种集成在硅片上的小型气相色谱仪(GC)(图5)。微型气相色谱仪由气体供应器,进样系统,毛细管柱和输出微型热导检测器组成。注入阀和毛细管通过微机械加工技术制造在硅晶片上,而从20世纪50年代末开始开发的集成电路(IC)处理方法用于检测器微制造。该器件被认为是“芯片实验室”的第一个例子。

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5. SC Terry撰写并于1979年在IEEE Transactions on Electron Devices上发表关于微型气相色谱仪的文章。

跟随Terry的脚步,瑞士研究员兼分析化学家Andreas Manz是最早在化学领域使用微芯片技术的公司之一,在90年代将实验室缩小到芯片尺寸 。1990年,他发表了一篇论文,其中他介绍了用于化学传感的小型化“总化学分析系统”(缩写为“μ-TAS”)的概念,即能够在分析中执行所有步骤的微流体装置(图6)。他证明,与化学传感器和传统分析系统相比,μTAS可以实现更快,更有效的样品分离(色谱或电泳),更短的传输时间和更少的试剂消耗。此外,多通道器件的制造使得实验可以并行进行。

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6.表示理想化学传感器的方案,TAS(总化学分析系统和小型化μ-TAS,如Manz等人所述。

1993年,他在玻璃芯片上创建了一个μTAS,可以在几秒钟内完成氨基酸的毛细管电泳。该装置通过微机械加工在Pyrex玻璃中制造,并且由长度为1至10cm,横截面为10×30μm的毛细管组成。结果证明了创建可用于复杂分析的小型芯片实验室的可能性。

一年后,化学和生物微系统学会(CBMS)组织了第一次关于μTAS的研讨会,介绍其基本概念和技术。

4.微流控芯片制造主要参与者:软光刻和PDMS

软光刻

能够图案化小结构的技术的发展是微电子学和光电子学的基础; 从20世纪60年代开始,制造集成电路和其他微元件的最常用方法是光刻。该名称表示一系列不同的技术,其提供通过光源(UV,X射线,......)从光掩模到固体基板上的光致抗蚀剂的图案转移。然而,当使用非半导体材料(例如玻璃和聚合物)时,光刻法被证明是一个困难的过程,并且从20世纪80年代后期开始开始新的非平版印刷微加工工艺。研究人员正在寻找一种廉价的技术,能够对3D结构(也在非平面表面)进行图案化,以控制表面化学,这可以用于更广泛的材料,因此能够克服光刻的所有缺点。因此,软光刻诞生了。与光刻法相比的主要区别在于弹性体模具可用于转移图案而不是刚性光掩模,并且可以直接图案化多种材料(有机和生物分子,聚合物等)。

 

一些最着名的软光刻技术,如复制模塑(REM),微转移模塑(μT),微接触印刷(μCT)和毛细管中的微模塑(MIMIC),成为微流体技术中非常成功的微加工技术。

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7.使用硅母版的快速原型制作弹性微流体装置,然后复制成型以获得弹性复制品。

PDMS

siloxanes组成PDMS的主链的高分子,在1927年(英国化学家 Frederick Stanley Kipping 图8)。作为硅化学的创始人之一,他开始研究silicones从1899年开始,并于1904年创造了silicone这个词。1943年,道康宁公司成立,是康宁玻璃公司与康宁公司的合资企业。根据Kipping的方法,陶氏化学公司成为第一家silicones制造商。

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8.英国化学家Frederick Stanley Kipping

众所周知第一个微流体装置通常由硅和玻璃制成,因为源自微电子的制造技术。然而,这些材料存在一些问题:硅是昂贵的并且由于其不透明性而不能与光学显微镜耦合,而硅和玻璃都具有低透气性,这使得它们不适合应用于生物学的微流体。研究人员正在寻找可替代的化合物,与以前的化合物相比,这种化合物具有光学透明、易于加工、灵活和廉价的特点。有机聚合物似乎是一个很好的选择,在20世纪90年代末,哈佛大学的George Whitesides团队引入了一个低成本微流体的新概念,使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为微芯片快速成型的新材料(图9)。

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9.由哈佛大学Whitesides团队于1998年复制成型制造的第一个PDMS微流体装置的通道的电子显微镜扫描(SEM)

5.微流控与生物学:人体芯片(HUMAN-ON-A-CHIP)

与微电子学中使用的传统材料相比,PDMS的主要优点之一是它与细胞的相容性以及容易培养简单生物如秀丽隐杆线虫。在20世纪90年代后期,微流体装置被用于细胞生物学应用,例如分选或模式化细胞和蛋白质,基于细胞的生物传感器,共培养研究。Albert Folch和他的同事能够在没有表面修饰的情况下,以胶原蛋白和纤维连接蛋白为模板,选择性地在PDMS通道上对细胞和细胞共培养进行模式设计(1998-1999)(图10)。

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Figure 10. The cellular micropatterning method described by Folch et al. [16]: the microscopic image shows two distinct lines of fibroblasts (stained respectively in green and red), patterned by directly injecting the cells suspensions into the microchannels.

研究人员很快开始研究微流体装置,这些装置可用作药物发现和开发的组织和器官模型,病理生理学和生物过程的研究,以克服体外和体内限制。在器官上芯片发展上,自2000年代以来,已经提出了许多针对肠,肝,脑,心脏,眼睛,皮肤,肺,肌肉,血管和肿瘤的芯片组织模型。2010年,Huh 等人开发了一种仿生装置,用于在其结构,功能和机械方面模拟肺泡 - 毛细血管界面。与先前工作相比的主要差异是在能够重建功能性微环境的不同组织的单个芯片上的集成。它们的装置由两个PDMS微通道组成,这两个PDMS微通道由多孔PDMS膜隔开,一侧接种人肺泡上皮细胞,另一侧接种人肺内皮细胞,从而形成上皮和内皮细胞。通过注射空气重建肺泡界面,从而模仿人类呼吸(图11)。

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Figure 11. The breathing lung-on-a-chip device proposed by Hu et al. [18]. (left) Chip and cells culture view. The side chambers are used to apply vacuum and recreate the alveolar-capillary movement by the PDMS mechanical stretching and (right) the chip layers, with a porous PDMS membrane between the two channels.

在过去十年中,器官芯片技术发展迅速,部分原因在于使用了替代软光刻的工艺,特别是快速原型制作,如3D打印,这是一种在20世纪80年代早期开发的技术。该方法目前用于生产组织工程支架,如生物印刷器官,电子器件,传感器以及微流体系统。利用3D打印,可以快速且低成本的方式获得能够模仿复杂微流体环境的三维结构嵌入式装置。Lee 等人2016年开发了一种一步式3D生物打印方法,用于生产organ-on-a-chip平台,并通过再现肝脏器官的主要功能来展示该装置的性能。他们使用poly(e-caprolactone) 作为平台材料,ECM-based hydrogels to simulate the microenvironment and collagen and gelatin hydrogels encapsulating cells as inks to build 3D platforms.

本世纪初,许多研究人员认识到,试图模拟器官水平功能的体外平台不足以研究体内发生的许多生理、器官间的联系。然后设计了第一个“人体芯片(human-on-a-chip)”细胞培养系统,使身体小型化,研究器官之间的相互作用和代谢(图12)。

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Figure 12. This picture by Williamson et al. [22] clearly represents the concept of human-on-a-chip: some anatomy sketches from Leonardo da Vinci (1490) showing 3D organs and their interactions are used to show the structure and the aim of this device, i.e. mimic the complex human physiology on a single chip.

21世纪初以来,对同一平台上不同组织的整合进行了一些初步研究。2004年,Viravaidya 等人开发了μCCA(微细胞培养模拟)来研究新药的生物累积和ADMET(吸收,分布,代谢,消除和毒性)途径。微芯片由四个腔室组成:肺和肝脏隔室包含活细胞和脂肪以及其他组织室以分配流体。同样,在2009年,Zhang和同事设计了一种多通道微流体装置,用于从肝脏,肺脏,肾脏和脂肪组织中培养人体细胞进行药物筛选,从而形成分隔的微环境。在过去十年中取得了许多进展,使得有效的芯片技术成为可能 。最近,麻省理工学院的研究人员开发了一种芯片体由10个隔室组成,同时模拟肝,肺,肠,子宫内膜,脑,心脏,胰腺,肾脏,皮肤和骨骼肌。该平台允许研究新化合物,评估对人体的潜在副作用(芯片上的物理作用)以及肿瘤转移的建模。