首页 > 技术资讯 > 行业咨讯

微流控系统的“鸿鹄之志”

自上个世纪80年代初问世以来,微流控技术的发展受到来自工程、物理、化学、生物化学、纳米技术和生物技术等多门学科的综合影响,正在不断扩展其生物医学平台的应用范围及其相关下游应用。例如,有许多生物医学和研究应用都通过微量流体处理,来实现复选、自动化和高通量筛选。

微流控技术的实施依赖于对约束在小型器件内部流体的精确控制和操作。被称为“微流控芯片”的器件内部,包含由硅、玻璃或塑料等材料通过蚀刻或注塑而成型的微通道。与宏观尺度分析系统(如基于微板或微管道的系统)相比,微流控分析系统有诸多优势,如显著缩减反应时间、减小尺寸、减少分析时间、提高试剂利用率以及更低的成本。

通常而言,微流控芯片处理的流体量为纳升到皮升数量级。基于毛细管(被动)、微泵和微阀(主动)的微流体控制技术都已经被开发出来。微流控技术的实用性被大大提高,紧跟细胞生物学、分子诊断、蛋白质组学以及DNA测序领域的研究和发展步伐。微流控技术更为人熟知的应用为喷墨打印头、芯片实验室系统以及用于毒素或病原体监测的生物传感器。

据息,7月11-12日,将在美国费城举办一场微流控会议,该会议将带来微流控领域的最新发展和应用。这次会议的演讲内容将包括微流控的发展策略及其技术进展、案例研究以及在医学研究领域的应用。相关企业、科学家和研究学者都将出席并参与分享。GEN杂志在开会前夕采访了部分与会科学家,邀请他们分享了他们将在大会上介绍的关于微流控技术领域需要重点关注的独特进展。

微型声流控(Microscale Acoustofluidics)

宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State University)生物工程科学与力学教授黄竣(Tony Jun Huang)博士,将展示一项称为声流控的创新型技术。他将为大家带来许多融合声学和流体学技术的生物医学系统。这些系统不仅通过了概念验证阶段,还证明了其生物相容性。

微型声流控系统的功率强度和频率保持在生物相容性范围内。从本质上说,声流控系统处理过程并不会改变细胞特性。黄博士表示:“微型声流控系统中的能量强度,与用于怀孕检测的超声波成像相当,,而后者已经验证了其内在安全性。”

20160617082050912.jpg

声学“镊子”从血细胞中分离循环肿瘤细胞的过程


实际上,从生物学上来说,该技术非常温和,能够应用于蛋白质、高分子量DNA的转运,并能够在不破坏或细胞不失活的前提下转运活体细胞,因此该技术适用于多种应用,如蛋白质组学和基于细胞的分析等。这款声流控装置的尺寸和手机差不多,且价格低廉,能够提供高精度、高通量、高效率的细胞/颗粒/流体转运。

黄博士想要重点强调的下游应用之一,是循环肿瘤细胞的检测和分离,该方法可用于癌症诊断。他表示“该技术擅长罕见细胞的检测和分离,它能够分离并保存完整的细胞,用于之后的遗传型潜在治疗分析。”

毛细管微流控

麦吉尔大学(McGill University)生物医学工程副教授David Juncker博士将阐述毛细管微流控系统,一种用于免疫分析和细菌检测的快速成型技术。Juncker博士将描述如何使用亲水性材料(主要是硅基芯片),通过蚀刻专门设计的微通道,实现流体控制的毛细管流体驱动系统。Juncker博士用“更复杂的流体通道实现更复杂的流体功能”来形容该系统。

Juncker博士带领着一支来自麦吉尔大学微纳米生物工程实验室的科学家团队。该实验室研究一维毛细管微流体技术,从线型连续流动到串型数字毛细管微流体液滴。“我们把线型微流体和串型微液滴作为混合器,并且正在验证该想法在组织工程学领域的可行性。”

该实验室的部分下游应用包括心脏病免疫分析和尿路感染(urinary tract infections, UTIs)细菌检测。Juncker博士指出:“我们推出的基于毛细管微流控技术的尿路感染的大肠杆菌检测(E. coli),所需检测时间大约为7分钟,而经典培养法的检测时间往往需要几个小时到几天不等。”大多数输入的样本都可以进行测试,如尿液、血清和血浆。Juncker博士继续说道,“借助这种方法,我们可以通过免疫抗体检测得出细菌总数。”

他把这种用于快速细菌检测的3D打印工艺称为“为学生而变革(transformative for students)”的技术,因为仅需花费半个到一个小时的时间就可以设计并制备出原型样机,并可以在需要的时候快速的对该样机进行重新设计。Juncker博士宣称,“这样能帮助学生通过反复使用该3D打印工艺,尽快克服他们所遇到的困难,并创建更多复杂的微流体管路。”他的团队融合了生物材料、能源、流体力学、免疫学以及微生物学等多学科的专业知识。

Juncker博士及其同事著作颇丰,自2013年以来,他们已经在多本杂志上发表了超过21篇论文。Juncker博士说,“我们也正打算进一步探索DNA测试领域,作为我们研究成果的下一个应用领域。”

纸基微流控

科罗拉多州立大学(Colorado State University)化学教授兼Henry集团领导人Charles Henry博士,将在会议上阐述用于人类临床试验和环境诊断的纸基微流控芯片的近期发展。纸基微流控器件的优势包括潜在的易用性、低成本和易处置性。

“从普通沃特曼滤纸到复印纸,我们已经测试并使用了所有类型的纸张。” Henry博士表示,在疾病诊断应用领域,Henry集团与科罗拉多州立大学的兽医学、微生物学、心理学及其它部门展开合作,开发包括西尼罗河病毒、中东呼吸综合症、肺结核、人类乳突病毒和寨卡病毒在内的单个和多重细菌、病毒靶标分析。

就临床诊断而言,Henry博士指出:“最近,他们专注于使用纸基矩阵微流控芯片应用于肽核酸的比色检测分析,该分析可用于细菌和病毒的快速检测。”

Henry博士集结了一支国际合作团队,研究将纸基微流控芯片应用于环境监控和检测 ,并已就相关主题发表了多篇论文。他们的研究专注于个体暴露环境下的金属检测和有机物反应评估,就快速反应和敏感度分析而言,多孔微流控芯片在该应用领域能够提供独特的分析能力,而且其价格很便宜。他们发表的纸基微流控芯片论文将电化学和比色检测结合在一起,应用于工业应用领域的金和铁金属的快速筛查。

“纸基微流控传感技术的另一个应用是可以作为可穿戴PM2.5检测装置,应用于死亡率或发病率筛查的环境检测。”Henry博士解释道。他们近期的另一个研究项目,是利用光刻技术在滤纸上制作微流体通道,将电化学检测和纸基微流控器件相结合。Henry博士及其团队使用丝网印刷技术在纸基微流控装置上制备电极,通过氧化酶反应来测定生物样本中葡萄糖、乳酸和尿酸的含量,并证明了其实用性。

液滴微流控

加拿大液滴微流控和芯片实验室研究会主席,滑铁卢大学(University of Waterloo)机械与机电工程系教授Carolyn Ren博士,将在会议上发表关于一种高通量筛选分析使能技术——液滴微流控的主题演讲。她将描述几个运用纳升尺寸液滴进行高通量筛选的应用案例。Ren博士的实验室评估了气-液分析系统,以及依赖于两种不混溶液体的液滴微流控分析系统。

“本次演讲的重点主要关于液相液滴微流控,”Ren博士说,“涉及液滴生成、捕获和分选等基本传输现象,以及液滴几何形状的物理建模,最终,液滴将在丁字型交叉节点完成分选。”

在她的实验中,液滴微流控器件所需的纳升级液体试剂量,相比基于微板的分析,降低了大约1000倍。“这是一项能够平台化的技术,能够应用于药物筛选、DNA检测、蛋白质结晶及其它应用。”Ren博士表示,“样本被封装到液滴内(就像水滴进入油性流体微通道)产生均匀一致的液滴,每个液滴相当于一个微型反应器。”Ren博士的微流控芯片实验室的研究也包含电学传感机理,如电容和微波传感技术等。

生物医学应用前景

微流控技术从材料、设计到下游应用的各种进步,都将在本次微流体会议上一一讨论,尤其是微流控材料、设计、控制相关的新技术、策略和方法,以及微流控技术在生物研究/生物医学领域的应用。从新材料的开发,到计量精度和液体处理控制的改善,微流控技术正循序渐进地飞速发展着。此外,液滴、数字化、离心式和声学微流控技术也在持续不断地完善中。

经过生物医学科学家和临床医师试验证明的功能性微流控应用正在不断扩大应用领域和使用范围。这些应用包含细胞、蛋白质、免疫、核酸、生物病原体(细菌和病毒)、化学和环境监测等多种分析。许多未来的生物医学问题,从大分子诊断到合成生物学,其中的部分研究以及指向逻辑解决方案的应用路径都将包含特定类型的微流控技术。





标签:   微流控 微流控芯片 芯片实验室 生物医学
手持式PDMS打孔器