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微流控生物反应器

1、微流控生物反应器技术:

①  微流控生物反应器之关键技术 ——  微流控技术

微流控生物反应器之微流控技术是一种精确控制和操控微尺度流体, 以在微纳米尺度空间中对流体进行操控为主要特征的科学技术,具有将生物、化学等实验室的基本功能诸如样品制备、反应、分离和检测等缩微到一个几平方厘米芯片上的能力,其基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。是一个涉及了工程学、物理学、化学、微加工和生物工程等领域的交叉学科。

微流控技术是MEMS技术在流体处理方面的一个重要分支,由于这一技术是生物芯片的基石,2003年被福布斯(Forbes)杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一。

微流控生物反应器

 ②  微流控生物反应器之关键技术 ——  微流控芯片

微流控芯片(MicrofluidicChip) ,又称为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)或生物芯片。是利用MEMS技术将一个大型实验室系统缩微在一个玻璃或塑料基板上,从而复制复杂的生物学和化学反应全过程,快速自动地完成实验。其特征是在微米级尺度构造出容纳流体的通道、反应室和其它功能 部件,操控微米体积的流体在微小空间中的运动过程,从而构建完整的化学或生物实验室。

这一技术将给基因、免疫、微生物和临床化学等诊断领域带来颠覆性突破,使威胁人类健康的诸多疾病如癌症、心脑血管疾病的早期诊断和预防成为可能。生物芯片与生物靶向药物的结合,推动临床医学全面走向个性化医疗诊疗。
③  微流控生物反应器之关键技术——  微流控芯片的制备

微流控芯片通过微细加工技术集成各种不同功能的单元,如微反应池、微、微阀、检测单元等。微通道加工技术与以硅材料二维和浅深度加工为主的集成电路芯片不同。微流控芯片微通道的两个重要指标是深宽比和微通道界面形状。

深宽比指在基片上形成的微结构的深度特征与宽度特征之比,高深宽比结构加工难度较大。对于直接加工法,形状特征与腐蚀的方向性有关,即各向同性或各向异性会形成不同的几何形貌特征;对于复制加工方法,如热模压和模塑法等,微通道几何形状直接与模板形状及加工工艺有关。
微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上, 自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力,已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

  微流控芯片的制备

2、微流控生物反应器的应用领域:

① 微流控检测分析芯片是新一代即时诊断(point of care,POC)主流技术,可直接在被检对像身边提供快捷有效的生化指标,使现场检测、诊断、治疗(处置)成为一个连续过程;也包括正在崛起的单细胞分析和第二代、第三代基因测序技术。

② 微流控反应筛选芯片是迄今为止最重要的微反应器,在高通量药物筛选,生物材料合成,单细胞分析,测序等领域显示了巨大的潜力;

③ 微流控细胞/器官芯片是哺乳动物细胞及其微环境操控最重要技术平台,可望部分替代小白鼠等模型动物, 用于验证候选药物,开展药物毒理和药理作用研究,实现个体化治疗。

微流控生物反应器的应用领域

3、微流控生物反应器的前景:
        ① 我们曾在多个场合提及,微流控生物反应器是一种注定要被深度产业化的科学技术, 它很可能作为下一轮产业转型的突破点之一,在相当程度上影响人类经济和社会的发展。实际上,微流控芯片的第一轮产业化已在体外诊断领域启动,特别是其中的即时诊断,即在病人身边,或者置于家庭、社区、事故灾害现场或资源匮乏地区的被检对象身边直接开展诊断的技术。

② 微流控生物反应器已被列入李克强总理批示通过的《“十三五”国家科技创新规划》,其中提及:体外诊断产品要突破微流控芯片、单分子检测等关键技术,开发全自动核酸检测系统等重大产品,研发一批重大疾病早期诊断和精确治疗诊断试剂以及适合基层医疗机构的高精度诊断产品。受国家政策的驱动,下一轮产业化将要波及的有正在崛起的单细胞分析和第二代、第三代基因测序技术; 以及与之平行,正在急剧发展的用于超大规模和超高通量的药物和其他材料筛选的液滴芯片技术,和用于制药产业、个体化治疗和化妆品产业等的组织-器官芯片技术。未来,微流控芯片还有望与半导体电子芯片技术深度对接,精准操控在平面上移动的成千上万计的用作反应器的数字液滴,用于大规模测序中的文库制备。

微流控生物反应器的前景

③ 中国的微流控生物反应器研究起步很早,规模很大,一直在国际上处于很重要的地位。仅我的学生中就已有二,三十位教授、副教授和公司的老总,他们正领导着各自的微流控芯片研究团队或微流控芯片公司,活跃在全国各地。他们是中国第一代微流控芯片研究和开发队伍的中坚力量,他们的工作和国内其他团队的工作一起,构筑了中国微流控芯片研究和开发的核心基础。随着政府创新政策的推动和全民创新意识得增强,我国的微流控芯片产业将会进入一个重要的发展阶段,并有望在世界范围内扮演一个非常重要的角色。

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