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微流控芯片的应用领域及优缺点

微流控Microfluidics),是一种精确控制和操控微尺度流体,尤其特指亚微米结构的技术,又称其为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片技术其是把生物、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。由于微米级的结构,流体在微流控芯片中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能,因此发展出独特的分析产生的性能。同时还有着体积轻巧、使用样品及试剂量少、能耗低,且反应速度快、可大量平行处理及可即用即弃等优点。

微流控芯片的应用领域

微流控芯片的应用领域有:环境监测、食品安全、司法鉴定、航空航天、运动竞技、药物筛选、石油化工、医疗诊断等。

一、微流控的发展历程及前瞻

Manz和Widmer等人采用芯片实现了此前一直在毛细管内完成的电泳分离,于1990年首次提出微型全分析系统(Miniaturized Total Analysis System,(μTAS)的概念,到1995年首家从事微流控芯片技术的Caliper Life Sciences公司成立,90年代中期,美国国防部提出对士兵个体生化自检装备的手提化需求催生了世界范围内微流控芯片的研究;在整个90年代,微流控芯片更多的被认为是一种分析化学平台,因此,原则上,微流控芯片作为一种“微全分析”技术平台可以应用于各个分析领域,如生化医疗诊断、食品和商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学和航天科学等重要应用领域,其中生物医学分析是热点。  

2000年左右G. Whitesides等关于PDMS软刻蚀的方法在Electrophoresis和Analytical Chemistry上发表,再到Quake等以“微流控芯片大规模集成”为题在Science上发表文章,2001年,“Lab on a Chip”杂志创刊,它很快成为本领域的一种主流刊物,引领世界范围微流控芯片研究的深入开展。接下来的2003年,微流控技术被Forbes杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一。Business也在2004年把微流控技术誉为“改变未来的七种技术之一”。2006年7月Nature杂志发表了一期题为“芯片实验室”专辑,从不同角度阐述了芯片实验室的研究历史、现状和应用前景,并在编辑部的社评中指出:芯片实验室可能成为“这一世纪的技术”。至此,芯片实验室所显示的战略性意义,已在更高层面和更大范围内被学术和产业界所认同。

这些里程碑式的工作使学术界和产业界看到了微流控芯片超越“微全分析系统”的概念而发展成为一种重大的科学技术的潜在能力。例如,利用微流控芯片作为一种微反应器,通过在微流控芯片上开展组合化学反应或结合液滴技术,有望用于药物合成与筛选,或纳米粒子、微球、晶体等的高通量、大规模制备,甚至形成一种“芯片上的化工厂或制药厂”;还有利用微流控芯片的集成功能来制作器官芯片,用于仿真人体器官中的最小功能单元,实现药物或化学物质在非活体环境(in vitro)中,研究活体环境(in vivo)的交互反应,是一种用于了解、评估疾病、药物、化学物质与食物等对人类影响的3D芯片设备。而“器官芯片”这一技术在2016年的达沃斯论坛上入选了年度十大新兴技术之一,被誉为与新燃料电池和无人驾驶汽车齐名的新兴技术。同时微流控芯片以其强大的应用范围(生物医学、药物筛选、运动竞技、国防科技、司法鉴定、食品安全、环境监测)成为了是当代极为重要的新兴科学技术平台和国家层面产业转型的潜在战略领域。在2016年7月国家国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》中李克强总理明确提出“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”。而来自中国大连化物所的林炳承研究院于2006年7月《微流控芯片实验室》序中也说道“时至今日,微流控芯片的研究早已超出了学术界的范畴,它很可能成为信息科学和生命科学之间沟通的桥梁,在未来五年、十年或者十五年中发展成一种举足轻重的产业,大幅度改善人类生存的质量,影响人类的未来”。

更加鼓舞人心的是,在近期,FDA与Emulate, Inc. 签订了题为“可将Organs-on-Chips技术作为毒理学测试平台,用于对影响人类的健康和安全的研究”的协议,这意味着,在美国,器官芯片对新药筛选的结果的得到了FDA的承认,也就是说在药物筛选阶段可以直接跳过活体动物这个环节,可直接在器官芯片上进行,这一协议也充分说明了微流控芯片以后对世界的重大影响和战略性意义。

二、微流控与体外诊断

(一)体外诊断(In vitro diagnosis, IVD),顾名思义,主要是指对人体的血液、体液、组织等进行检测而获得临床信息的产品或服务。在我国,由于:

1. 人口老龄化日渐严重;

2. 传染病慢性病日渐流行;

3.城市化进程中对医疗健康行业需求的剧增;

4.政府对医疗保健市场的大力支持;

5.医院药品加成的取消,导致医院日渐重视临床检验等因素,体外诊断行业开始迅速崛起。相关行业数据显示,近几年来我国体外诊断市场规模的年增长率一直维持在20%以上。    

随着技术的发展,也为了面向不同的诊断需求,体外诊断正逐渐向两级发展:机械手臂式的自动化、流水线作业的中心实验室和操作简单、快速、便携的即时诊断(point-of-care testing, POCT)。对于大型医院的检验科室或者第三方检验中心,由于样品量大,自动化流水线作业式的中心实验室往往更能满足他们对于单位时间能检测更多样品、单个样品检测成本低的需求。而即时检验,国际上一般称为POCT,是在采样现场即时对样本进行分析,省去标本在转移到检验实验室所需要的时间,快速得到检验结果的一类新方法。这种检测通常不一定需要专业的人员比如临床检验师来进行。相对于传统的实验室检测机制,POCT主要通过精简操作流程、集成检测装置、压缩检测成本,实现部分由非专业人员完成、受众和适应性更强的便携式的就地检测。因其快速、简单的优势,POCT对院内急诊科、重症监护室(ICU)等临床科室具有重要意义;因其综合成本、便携、易用的优势,POCT对于完善农村边远地区医疗建设、加速检验检疫流程、应对突发疾病灾害、推动个性化医疗和疾病筛查等同样具有重要意义。POCT现已广泛应用于临床治疗和监护。

(二)POCT存在的问题,我们最常见的POCT设备就是像早孕试纸之类的免疫层析试纸。免疫层析反应,实际上就是液体样品在试纸上沿着试纸由一端向另一端定向扩散,在液体样本定向扩散过程中会与试纸上预载的试剂发生生化发应,最后在试纸上给出肉眼可见的结果的一个过程。因其简单、方便、快速的特点一直使用至今。但是呢,这种试纸很难做到结构均匀一致,材料、薄厚、疏密程度也很难完全相同,这会使样本检测结果在不同测试卡上的一致性较差。另外,被测样本测试时流动的速度、样本量、反应时间等不可控,会进一步加大了样本检测结果的偏差。除此之外,免疫层析试纸受自身方法学的局限,一般只能达到定性诊断,不能满足医生定量的需求。最后,对于免疫层析而言,最大的问题还是在于依靠液体在纸上的单向扩散,液体可操控的空间也受到了很大限制。所以,很多临床上非常好的检测诊断技术,由于操作相对复杂一些,没法用免疫层析来实现。

(三)POCT可直接在被检者身边提供快捷有效的生化指标,现场指导用药,使检测、诊断、治疗成为一个连续过程,对于疾病的早期发现和治疗具有突破性的意义。POCT仪器发展趋势应是小型化、“傻瓜”式,操作简单,无需专业人员,直接输入体液样本,即可迅速得到诊断结果,并将信息上传至远程监控中心,由医生指导保健。目前,市场上有多种即时诊断方法,简单的流动测试工作没有流体管理技术,而当测试复杂性增加时,微流控技术是必要的。微流控芯片所具有的多种单元技术在微小可控平台上灵活组合和规模集成的特点已使其成为现代POCT技术的首选,经过近年的发展,已涌现了一批微流控芯片POCT分子诊断和免疫诊断的成功案例。

微流控与体外诊断

三、微流控的优点

(一)集成小型化与自动化

微流控技术能够把样本检测的多个步骤集中在一张小小的芯片上,通过流道的尺寸和曲度、微阀门、腔体设计的搭配组合来集成这些操作步骤,最终使整个检测集成小型化和自动化。

(二)高通量

由于微流控可以设计成为多流道,通过微流道网络可以同时将待检测样本分流到多个反应单位,同时反应单元之间相互隔离,使各个反应互不相干扰,因此可以根据需要对同一个样本平行进行多个项目的检测。与常规逐个项目检测相比,大大缩短了检测的时间,提高了检测效率,具有高通量的特点。

(三)检测试剂消耗少

由于集成检测的小型化,使微流控芯片上的反应单元腔体非常小,虽然试剂配方的浓度可能有一定比例的提高,但是试剂使用量远远低于常规试剂,大大降低了试剂的消耗量。

(四)样本量需求少

由于只在小小的芯片上完成检测,因此需要被检测的样本量需求非常少,往往只需要微升甚至纳升级别。此外还可以直接用全血进行检测,对于婴儿、老人、残疾人这些血量少、静脉采集困难的人群,使其检测更加方便;或者是非常珍贵稀少的样本,使其多项指标检测成为可能。

(五)污染少

由于微流控芯片的集成功能,原先在实验室里需要人工完成的各项操作全部集成到芯片上自动完成,使人工操作时样本对环境的污染降低到最低程度。例如在分子核酸类检测中,无论是样本本身,还是制备后准备用于检测的核酸,均会对实验室造成污染,气溶胶的扩散使得后续样本检测容易出现假阳性。这也是为什么常规分子核酸类检测需要至少在3个房间分别进行不同的操作。微流控技术的使用很好的解决了这一问题。

正因为微流控具有以上几个重要的优势和优点,使其成为了POCT的首选。而我们判断这类产品在市场上有没有需求和竞争力,可以从这几个方面上进行判断。

四、微流控的不足

(一)核心技术缺乏规范和标准

一个成熟的微流控产品,往往需要配套使用的试剂,核心的微流控芯片,芯片驱动平台,光电检测模块,信号处理模块以及人机交互的软件系统等等组件。对于一个成熟的产业链而言,一个复杂的产品的不同组件是由不同公司大规模的生产,然后有某个掌握一个或者几个核心技术的公司组装而成。这里最典型的代表就是智能手机。资金雄厚如苹果公司,也没法把诸如CPU,内存,屏幕等等所有组件的产业线全部掌握在自己手上。但是在微流控的产业化中,由于这个技术还不太成熟,产品缺乏相应的标准化和规范化,目前还没法实现组件的通用化。这样也就没法形成上下游公司合作式的开发一个产品的模式。而微流控产品本身就是结合微机电加工、生命科学、化学合成、光学工程及电子工程等许多领域学科的新产品,技术要求高,开发周期较长。这也导致了,像诸如GeneXpert PCR分析仪这样的具有突破性进展的产品,由于前期高昂的研发费用,到现在也没能实现真正的盈利。

(二)相关人才严重不足

多学科交叉人才、企业研发人员、专业化市场人员严重不足;国内芯片人才特别是在企业从事产品开发的芯片技术人员极为缺乏。

(三)目前生产成本高昂

对于微流控免疫分析芯片来说,其面临的最大问题是分析芯片都是一次性使用,不能充分发挥微流控分析平台可多次使用的优点,导致检测成本升高,在目前加工条件下,一块供研究用的标准玻璃芯片价值可能在几十到上百美元之间。

(四)技术平台的难题

比如抗体的固定。非均相免疫分析是将抗原或抗体固定在固相载体表面,通过特异性免疫反应,将所需的抗体或抗原结合在固相载体表面形成抗原抗体复合物,通过简单的清洗即可实现抗原抗体复合物与游离抗原抗体的分离。因此,如何将抗体固定在微通道的表面成为非均相微流控免疫分析芯片的一个关键问题。有很多方法可以将抗体固定在通道表面,包括通道壁对抗体的直接吸附、共价结合在基底面形成活性功能基团、微接触印刷等技术。抗体等生物分子可以通过疏水作用直接吸附在疏水性微通道的表面,但是可能引起抗体的构相改变而导致活性降低。同时对微通道表面的封闭是非常重要的,通过封闭限制蛋白和小分子物质的非特异结合,这些非特异结合会影响分析效率。蛋白质的非特异性结合和抗体的变性使免疫分析的灵敏度大大降低,因此对于微流控免疫分析芯片系统,采用合理的方法交联抗体显得非常重要。

另外,微流控芯片与外围设备如自动分析、显示设备等的集成化也是需要重点攻克的难题。

微流控芯片是注定要被深度产业化的科学技术。这种判断首先当然是源于需求的不可逆转,需求加剧,进程加快;另一方面,则是基于对这一科学技术在一些重大领域不可替代性的认识,而这种认识只是在最近的若干年内才被人们所逐步接受。它很可能发展成为当今产业转型的一种模式,对以生物经济为代表的新型经济产生重要影响。例如未来几年内,如果将微流控芯片与“生物手机”、“互联网+”进一步结合,这样一个由一种新兴技术引发的可能具有全局性影响的趋势,是否能够因此诞生一批“风口”行业值得大家期待。

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