大神们，能否给小弟讲解下微流控技术（Lab-On-Chip），在生物医药领域的应用范围和发展前景？

青草

大神们，能否给小弟讲解下微流控技术（Lab-On-Chip），在生物医药领域的应用范围和发展前景？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/528122641

同花顺

微流控技术简图@MDPI

微流控技术是研究微尺度下液体行为的学科，重点是操控极小体积的液体。用于该领域的微流控芯片包含尺寸为几十到几百微米的通道（比人的头发丝还要细）。微流控技术有多种类型。例如，光流体技术结合了微尺度下的流体和光学优势；声流体技术利用声波操控液体；而数字微流控则通过电场在电极阵列上操控液体。这些不同技术可以用于集成设备。例如，实验室芯片设备可以在一个芯片上进行多项标准实验；而器官芯片微流控设备则通过3D培养细胞，旨在更好地模拟活体器官的关键功能。微流控技术还可分为两大分支。在连续流微流控中，液体在通道中连续注入且没有任何中断。而在基于液滴的微流控中，两种不相混溶的液体（如水和油）被注入微流控芯片中，以生成液滴。Emulseo在基于液滴的微流控方面具有丰富的专业知识，并能提供该技术所需的所有产品。
基于液滴的微流控技术简介



液滴微流控技术@Nature

基于液滴的微流控技术是微流控中的一个专门领域，主要研究液滴的生成、控制和操控。在该技术中，液滴通常通过将一种液体注入另一种不相混溶的液体中形成（例如将水注入油中）。每个液滴可以作为一个独立的微型反应器，能够在微观尺度上进行复杂的化学反应或生物分析。这些液滴可以包含多种实体，如细胞、颗粒或化学试剂，使其成为高通量筛选、单细胞分析以及精确化学合成的理想工具。操控和分析成千上万个甚至数百万个液滴的能力，使得实验速度更快，数据收集更加高效，极大地增强了科研能力。通过将实验过程微型化并分隔为小液滴，基于液滴的微流控技术彻底改变了科学家开展实验的方式，使研究和开发的速度更快、更高效，并具有高度可扩展性。
微流控技术的应用与领域概述
我们的产品广泛应用于多种领域，包括数字液滴PCR、单细胞分析、筛选、合成生物学以及化学和生物反应控制，这些都体现了我们在基于液滴的微流控技术方面的专业知识。微流控技术传统上主要用于医疗保健领域，但现在正扩展到许多其他领域，包括生物技术与医疗、化妆品、农业工业、环境与能源、材料等，提供创新的解决方案以满足各种需求。



微流控技术应用领域



法国液滴微流控试剂专家Emulseo

Emulseo成立于2018年，总部位于法国波尔多，是一家知名的高性能表面活性剂开发商，专注于微流控技术。 我们的公司由Florine MAES、Jean-Christophe BARET和Valérie TALY创立，专注于制定优化的解决方案，以进行高效可靠的液滴微流控实验。我们拥有一支专注的专家团队，致力于提供优质的产品和个性化的指导，以支持客户的应用需求。我们为持续追求卓越、并能提供多样化的产品和服务以满足客户独特需求而感到自豪。我们的承诺： 我们自豪地获得ISO9001认证，这彰显了我们对产品和服务质量的承诺。

检验医师

微流控OOC：实验室里的微环境模拟新纪元
微流控OOC，是用微纳加工技术做的，能在体外模拟出器官的微环境。这样一来，我们就能更精准地研究这些器官的运作方式了。
它里面有好多小通道和腔室，就像器官里的血管和细胞一样，可以模拟出靶器官的脉管系统和组织结构。这样一来，营养物质、氧气什么的就能在设备里流动起来，让细胞们活蹦乱跳，发挥它们的功能。
而且，这个微流控OOC里还能有多个隔室，细胞们就可以在里面互相交流，就像在器官里一样。Shim他们就做过一个实验，设计了一个有两个隔室的微流控OOC，一个放肿瘤引流淋巴结，一个放肿瘤，结果发现，当肿瘤细胞和淋巴结一起培养时，淋巴结受到了免疫抑制，这就像是模拟出了健康淋巴结中肿瘤诱导的免疫抑制现象。




  微流控系统还能在设备里接种上各种细胞，就像是在实验室里种菜一样，模拟出目标器官的细胞组成。而且，它还能创建出屏障模型，比如血脑屏障或者肠道屏障，这对于研究药物怎么穿过这些屏障，或者研究疾病怎么影响这些屏障，都是非常有用的。


比如说，Griep他们就用人脑内皮细胞系（hCMEC / D3）做了一个血脑屏障，然后用跨内皮电阻测量来评估这个屏障的功能。他们发现，当有流体剪切应力的时候，屏障功能会增强，但如果暴露在肿瘤坏死因子里，屏障功能就会受到抑制。  


还有Kim他们，他们用肠上皮细胞（Caco-2）做了一个肠道屏障，然后让这些细胞暴露在类似于天然环境中的机械菌株中。结果发现，机械应力可以引起Caco-2细胞的分化，帮助形成绒毛结构，并执行肠道屏障功能。  


总之，这个微流控OOC就像是一个小小的器官实验室，可以帮助我们更好地理解器官的运作方式，为药物研发和疾病治疗提供新的思路。
参考文献：
Hwangbo H, Chae S, Kim W, Jo S, Kim GH. Tumor-on-a-chip models combined with mini-tissues or organoids for engineering tumor tissues. Theranostics. 2024 Jan 1;14(1):33-55. doi: 10.7150/thno.90093.

长长的路

微流控技术[1]（Microfluidics）指的是使用微管道（尺寸为数十到数百微米）处理或操纵微小流体（体积为微升到纳升）的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。微流控的早期概念可以追溯到19世纪70年代采用光刻技术在硅片上制作的气相色谱仪，而后又发展为微流控毛细管电泳仪和微反应器等。
　　因为具有微型化、集成化等特征，微流控装置通常被称为微流控芯片，也被称为芯片实验室（Lab on a Chip）和微全分析系统（micro-Total Analytical System）[1]。微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵、电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应[2]。采用荧光、电化学、质谱等分析手段，对样品进行快速、准确和高通量的分析。
一、微流控技术的分类
　　在微流控技术中，微流体驱动和控制技术是实现微流体控制的前提和基础，其控制方式种类众多，采用的原理和形式也不尽相同。根据微流体驱动方式不同，微流控技术主要分为两类：主动型微流控和自趋式微流控[3]。
　　主动型微流控是利用外源性驱动力（包括压力、离心力、磁力、电润湿等）进行微流体操控的方式。压力式微流控是利用气压或液压或气液压混合，来控制液体在芯片中的运动。离心式微流控一般为对称盘式构型，利用旋转产生的离心力来驱动液体在芯片中的运动。磁力式微流控是利用磁场来控制流体中的磁性物质，以驱动流体的运动。数字化微流控一般基于电润湿的基本原理，以多种方式操纵液滴，构建电极阵列，实现复杂的生化分析。
　　自驱式微流控通常是指利用表面亲疏水特性或毛细力来进行流体的输运与处理的方式。其特点是自驱动、无需额外泵源和能源。
二、微流控芯片技术的特点
　　基于微机电系统（MEMS）发展而来的微流控芯片技术，被誉为改变未来的七种技术之一，相比于传统方法其技术有如下优势[4]：
　　（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元，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
　　由于只在几厘米大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。同时由于其高通量的特点，对一次采集的样本就可以实现多项测试，因此对于不易获取的样本检测更加具有优势。
　　（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，气溶胶的扩散使得后续样本检测容易出现假阳性，微流控技术的使用很好的解决了这一问题。
　　同时，微流控芯片技术仍存在以下的不足：
　　（一）核心技术缺乏规范和标准
　　在微流控的产业化中，由于技术还不太成熟，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模式。
　　（二）生产成本高昂
　　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，导致生产成本升高。
　　（三）技术难题
　　比如对于微流控免疫分析芯片系统，抗体的固定、对微通道表面的封闭，显著影响免疫分析的灵敏度，是该类芯片需要重点解决的问题。
　　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。
三、微流控芯片与生物芯片的区别
　　微流控芯片指的是在一块几平方厘米的芯片上构建化学或生物学实验室，它可以把所涉及的化学和生物学领域中的样品制备、反应、检测，细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成到这块很小的芯片上，用于完成不同的生物学和化学反应过程，并通过由微通道形成的网络，使微流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物学实验室的各种功能。
　　生物芯片（biochip或bioarray）是根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。狭义的生物芯片概念是指通过不同方法将生物分子固着于硅片、玻璃片、凝胶等固相递质上形成的生物分子点阵。因此生物芯片技术又称微阵列列（microarray）技术[7]。
　　微流控芯片是以微量流体的精确控制为核心技术，而生物芯片是以静态的亲和反应配对为核心技术。从原理、应用及发展目标上看，它们都是芯片实验室，但它们各有自己的特点，它们分属于不同的学科体系以及技术领域。在实际的研究和应用当中，各概念所涉及的技术往往是相互交叉的，例如生物芯片可单独使用也可作为微流控芯片的一种检测技术。   
四、微流控芯片在体外诊断领域的应用
　　目前体外诊断是微流控技术的最大的应用场景。国内外体外诊断技术主要表现为自动化、快速化、超高灵敏度、高通量检测和无创化、微创化的发展趋势。
　　（一）生化、免疫诊断检测中的应用
　　体外生化诊断检测原理主要基于酶动力学检测，依靠酶催化底物产生信号。微流控芯片高通量及微型化的特点，可以解决生化检测项目多、样本消耗量大、试剂成本高等问题。目前，商品化的微流控生化分析芯片主要以离心式微流控芯片为主。将生物化学检测中所涉及的全血标本加样、分离、定量、稀释、反应、检测等基本操作步骤集成在微芯片上，以微通道网络连接各个反应腔室，通过离心力、毛细管力及虹吸阀等实现对流体的精确控制[6]。
　　免疫检测主要是基于抗原抗体的特异性生物识别机制进行检测，本身具有较高的特异性。有研究发现，在微流通道内，当流体动力强度在0.1～10pN 时可以分裂抗原抗体的非特异性结合，而在6～250pN 时仍然可以保留抗原抗体的特异性结合[8-10]，同时微流控技术平台进行的微流控分析所需试剂量极小，大大降低了抗体等昂贵免疫试剂的消耗。此外，微纳尺度的流体操控与集成，不仅提高了抗原与抗体反应的速度、有效缩短了反应时间，并极大地简化了免疫分析的操作过程。因此，微流控免疫分析技术在提高体外诊断检测的特异性、灵敏度、精确性等检测性能方面具有巨大的潜在应用价值[5]。
　　（二）分子诊断检测中的应用
　　分子诊断在目前精准检验医学所占的比重越来越大，肿瘤的转移复发、靶向药物的筛选、胎儿的产前诊断等均有赖于分子诊断。而在微流控芯片方面，核酸扩增技术同样也发展最为成熟，基于不同类型的核酸扩增方法均有大量报道，包括实时荧光定量PCR芯片、逆转录PCR芯片、液滴PCR芯片、数字PCR芯片等，以及基于恒温扩增技术的环介导等温扩增、滚环扩增、重组酶聚合酶扩增等手段的微流控芯片。在数字微流控芯片中少量的模板DNA和试剂被封装在液滴或微孔内，允许在相对传统DNA扩增方案（例如PCR）更短的时间内分析珍贵的核酸样品。目前微流控芯片已实现了分子诊断领域大部分的技术方法，包括基因分型、基因突变、单核苷酸多态性位点检测、疾病相关微小RNA检测，DNA测序等[4]。
五、相关产品的注册审评情况
　　目前经注册审评的产品主要包括基于不同芯片检测方法的试剂，以及配套芯片使用的检测设备。芯片类试剂主要集中为境内注册，目前已批准境内三类试剂40余项，由国家局批准上市的芯片检测相关的设备（境内、进口）共约10余项。境内二类产品100余项。
　　早期的芯片试剂类产品均为生物芯片，主要用于核酸和蛋白的检测，试剂以微阵列等形式提前包被在芯片中，如采用核酸杂交芯片或蛋白芯片进行多项基因或抗体的检测。我中心于2013年发布《生物芯片类检测试剂注册审查指导原则》对该类产品进行注册指导。
　　随着微流控技术的不断发展，越来越多不同微流控形式的试剂申报注册，并经批准上市。有微阵列芯片、杂交芯片、PCR扩增芯片、碟式芯片、毛细管电泳、电化学基因芯片等。申报的试剂检测主要涵盖病原体检测、基因分型、基因多态性、遗传基因、以及肿瘤标志物的检测；配套的检测设备主要集中在恒温扩增芯片分析仪、数字PCR分析仪、生物芯片阅读仪等类别。
　　目前国内产品的自动化和微流控程度较低，主要产品类别仍旧集中在微流控程度不高的生物芯片、以及采用简单离心方法进行控制的PCR芯片，对配套设备的要求不高。
　六、审评思考及提示
　　对于不涉及液路系统的生物芯片，参照其他试剂进行整体的分析性能评价。对于存在微流控的芯片，针对碟片式芯片，需另外考虑转速和离心力。针对其他液路控制的芯片，考虑液路管径、流速、压力等因素。还有些芯片中未包被试剂，此时芯片不做为试剂管理，试剂的申报资料中应对配套使用的芯片进行选择研究。
　　对于主动型芯片，即微流控过程完全由芯片自动实现，配套设备参照常规设备产品要求；对于被动型芯片，即微流控过程由配套设备施加外部动力来实现，需要结合外部动力的实现原理，评价相应的机械定位、压力、磁力等相关因素。

参考文献：
[1]https://baike.baidu.com/item/%E5%BE%AE%E6%B5%81%E6%8E%A7%E6%8A%80%E6%9C%AF/2000024?fromtitle=%E5%BE%AE%E6%B5%81%E6%8E%A7&fromid=4786762&fr=aladdin
[2]https://baike.baidu.com/item/%E5%BE%AE%E6%B5%81%E6%8E%A7%E8%8A%AF%E7%89%87/8491082?fr=aladdin
[3]https://zhuanlan.zhihu.com/p/212151794
[4]王超,张东锋,杨柳青,等. 微流控技术在分子诊断上的应用[J]. 中国医疗器械杂志,2020(6). DOI:10.3969/j.issn.1671-7104.2020.06.011.     
[5]李顺基，肖育劲，陈 鹏，刘笔锋.微流控芯片技术在体外诊断领域中的应用进展[J].分析科学学报,2020(10),DOI:10.13526/j.issn.1006-6144.2020.05.004
[6]慕 轩,胡 坪,罗国安,姚 波.微流控芯片技术在临床检测中的应用进展.分析测试学报,2007 26(4),587～591
[7]Schembri CT,BurdTL,Kopf-SillAR,SheaLR,BrayninB.JournalofAutomaticChemistry,1995,17(3):99.
[8]PierresA,BenolielA M,BongrandP.Journal of BiologicalChemistry,1995,270(44):26586.
[9]KaurJ,SinghK V,SchmidA H,VarshneyGC,Suri CR,RajeM.BiosensorsandBioelectronics,2004,20(2):284.
[10]MulvaneySP,ColeCL,KnillerM D,MalitoM,TamanahaCR,RifeJC,Stanton M W,WhitmanLJ.Biosensors&Bioelectronics,2007,23(2):191.

感恩由您

导读
和义广业【行业分析】之微流控系列，将系统解读微流控芯片加工工艺、技术优缺点、医疗领域应用、市场现状、产业上下游、代表企业及未来发展趋势。本篇文章详尽总结微流控技术在体外诊断、分子诊断、免疫诊断、体外生化分析等方向上的具体应用。列举代表性产品，并进行技术路径和特点分析。
▍体外诊断领域中的应用

体外诊断是指在人体外部通过测试人体样本（血液，体液，组织等）来确定疾病或身体机能以获得临床诊断信息的产品和服务[1]。根据国家食品药品监督管理总局按照检测原理和方法分类，体外诊断主要有分子诊断、免疫诊断、体外生化诊断等[2]。目前体外诊断是微流控技术的最大的应用场景。国内外体外诊断技术主要表现为自动化、快速化、超高灵敏度、高通量检测和无创化、微创化的发展趋势。
下文分别从分子诊断、免疫诊断、体外生化诊断进行详细介绍。
1、分子诊断[3]

（1）分子诊断定义
分子诊断是指在分子水平上对患者个体或其携带的外源性病原体的核酸、蛋白变化进行检测以评估患者健康状况的诊断方法，被广泛应用于传染病与遗传病检测、肿瘤早筛，预后评估及用药指导、无创产前诊断等领域[4]。微流控芯片技术在分子诊断领域应用较多，在本文中我们主要通过微流控PCR芯片进行详细。
（2）PCR定义
PCR（Polymerase chain reaction，聚合酶链式反应），是一种分子生物学技术，可以用于扩增特定的DNA片段，该方法可在生物体外进行。PCR过程包括3个步骤：变性、退火、延伸，需要在高低中3个不同的温度(高温变性：90℃～95℃，低温退火：55℃～60℃，中温延伸：70℃～72℃)下进行，如图。



图. PCR技术原理[5]

（3）微流控PCR芯片装置及原理示意图
微流控PCR芯片是基于微流控技术的PCR反应装置，其装置如下图所示。微流控装置具有体积小、样本需求小、成本低、全封闭、高集成、温度变化快等优势，有利于显著提高扩增速度、避免样本污染。



图. Kopp设计的世界上第一款微流控PCR装置

其中，PCR芯片的对温度控制的设计方式多种多样，如[6]：

• 空间型（流体在微通道运动，温度区域固定）：蛇形式、辐射式、闭环
  

图. 蛇形式微流控PCR[7]

• 时间型（流体在微通道不动，通道内温度变化）：离心式；
  

图.离心式PCR微流控示意图[8]

• LAMP芯片（恒温扩增，扩增过程无需温度变化）
  
• 数字PCR：将样品稀释到单分子水平，并平均分配到几十至几万个单元中进行反应，在扩增结束后对每个反应单元的荧光信号进行采集，最后通过直接计数或泊松分布公式计算得到样品的原始浓度或含量。
  

（4）微流控PCR芯片优势
微流控PCR技术有效缩小反应体系，提高反应效率，且对不同试验过程进行集成和微型，改变了传统PCR技术存在反应时间长、能量消耗大、不便于集成与携带等缺陷。
（5）相关公司产品介绍：

• BioFire的FilmArray：一个测试卡同时检测多达20种物质（如呼吸道感染检测芯片可同时检测21种微生物感染），采用了巢式PCR技术，使用两对引物扩增，第二对引物结合在第一次扩增的产物的内部，这样增强了PCR扩增的特异性，降低了误扩率（下图为产品的结构示意图）。
  

图. BioFire的FilmArray[9]

• 芬兰公司MobidiagOy的Novodiag全自动高通量多靶标核酸分子诊断系统，如视频所示。[10]
  
• Meridian的Revogene®分子诊断平台，如视频所示。[11]
  （视频请移步至和义广业创新平台公众号）
  
• 博晖创新Genplex微流控全自动核酸检测系统（如图所示）。
  

图. 博晖创新Genplex微流控全自动核酸检测系统及芯片内部结构[12]

2、免疫诊断

（1）概述
免疫诊断，顾名思义就是应用免疫学的理论、技术和方法诊断各种疾病和测定免疫状态。在医学上，它是确定疾病的病因和病变部位，或是确定机体免疫状态是否正常的重要方法。
（2）诊断方向
根据不同疾病的检测需求，已开发出多种具有定性或定量检测的微流控免疫芯片。其诊断方向可分为：肿瘤标志物检测、感染性疾病抗原和抗体检测，自身抗体检测和激素检测等[13]。

• 肿瘤标志物检测：通过检测肿瘤特异性生物标志物含量可以在早期得知患病信息，也可用于监测抗肿瘤药物治疗效果。
  
• 感染性疾病抗原和抗体检测：由病原体引起的部分感染性疾病具有高传染性，因此理想的检测应该具有即时性，使得患者在检测现场得以确诊并接受治疗，目前一些微流控芯片已经被成功地用于识别病原体分子标志物和感染诊断。
  
• 自身抗体检测：自身抗体可以在大多数自身免疫性疾病中发现。在疾病早期或疾病前期，自身抗体浓度便会升高，因而自身抗体具有早期预警价值；目前临床上，很多自身抗体用于自身免疫病常规诊疗检测，对自身免疫性疾病的诊断、治疗监测及预后有重要价值。
  

（3）代表公司

• 华迈兴微的M5四通道化学发光免疫分析仪
  

该仪器是将微流控技术、化学发光、磁微粒分离三项核心技术汇聚一身，可单样本多项目独立检测或多样本同时检测；芯片利用磁微粒化学发光法，可对被测样本在芯片内进行二次定量，使检测结果更精准，且内置血细胞处理区，可检测多种样本类型。



图. 华迈兴微产品示意图[14]

• 微点生物的mLabs免疫荧光微流控检测平台（如下图所示）。
  

图. 微点生物mLabs免疫荧光微流控检测平台[15]

• 岚煜生物LS-7000主动式微流控+时间分辨免疫荧光（如下图所示）
  

图. 岚煜生物LS-7000主动式微流控+时间分辨免疫荧光[16]

3、体外生化分析

（1）概述
临床生化分析是基于分光光度法对血液、尿液等体液中血糖血脂、肝功、肾功、心肌酶谱等几十项生化指标进行检验的方法，是临床体外诊断最为常用的方法之一，占据了体外诊断将近30%的市场。
然而，以前的医疗机构普遍采用的生化检测基本由大型自动化生化分析仪来完成，虽具有很高的检测通量，但单个样本从采样到出结果的耗时长，对样本的消耗量大，且因运行的经济性问题对样本数量有一定要求，不符合现场快速检测的需要，因而与国家鼓励推行的分级诊疗、家庭医生制度以及很多需要长期监测的慢性疾病的防控等现实需要相矛盾。
（2）优势

• 全集成自动化：微流控生化分析系统利用微流控芯片技术将血液生化分析所需要的血清血细胞分离、血清定量、血清稀释与分配集成在一张塑料芯片上完成；
  
• 快速检测：配合便携式检测装置，可实现短时间内对一滴血的生化检测，其耗时和样本消耗量均比传统方法有着大幅度的降低；
  
• 操作简单：所有试剂均存储在芯片上，用户的操作简单。
  

（3）代表公司

• 微纳芯全自动生化分析仪 Celercare M5
  

与其配套的试剂片盘包括临床急诊、肾功、肝功、心肌酶、电解质等，每一种都可同时提供多个生化指标的检测结果，如图所示。



图. 微纳芯全自动生化分析仪 Celercare M5及芯片结构

• 成都斯玛特的SD1自动干式生化分析仪
  

可以快速准确的对微量样品进行检测分析，同时利用云计算可以帮助操作员远程做出医疗决策，如图所示。[17]




图. 成都斯玛特的SD1自动干式生化分析仪及芯片

下期文章预告：
微流控系列文章连载4，将详解微流控技术在单细胞分析、器官芯片、药物筛选等方向上的具体应用。敬请期待~
参考资料：
[1]杨勇, 雷孝锋, 李尔华, et al. 《体外诊断试剂注册管理办法》解读[J]. 分子诊断与治疗杂志, 2015, 7(4): 286-288.
[2]邢菁华, 张洵君.当代体外诊断历史变迁与分析展望[J]. 中国医疗器械杂志,2017, 041(6): 428-431.
[3] 王超,张东锋,杨柳青,等. 微流控技术在分子诊断上的应用[J]. 中国医疗器械杂志,2020(6). DOI:10.3969/j.issn.1671-7104.2020.06.011.
[4]全国卫生产业企业管理协会医学检验产业分会, 中国医疗器械行业协会体外诊断分会. 2017年中国体外诊断行业年度报告[J]. 中华临床实验室管理电子杂志, 2018, 6(3): 168-181
[5] 图片来源：微流控技术
[6] 资料来源：体外诊断网
[7] 图片来源：美国Visby网站（新闻）
[8]图片来源：GeneSlice网站（新闻）
[9] 视频来源：BioFire官网
[10] 视频来源：MobidiagOy
[11] 视频来源：Meridian
[12] 图片来源：博晖创新
[13]邹志晨, 宋科官, 宋秋实,等. 微流控免疫芯片在医学检测中的现状和研究进展[J]. 中华检验医学杂志, 2022, 45(1):6.
[14] 图片来源：华迈兴微官网
[15] 图片来源：微点生物官网
[16] 图片来源：岚煜生物官网
[17] 视频来源：成都斯玛特
作者声明：感谢本文参考资料作者，文中观点仅供参考，不恰当之处还望包涵指正，资料内容侵删。
作者：武瑾嵘
审核：李芳

同花顺

芯片实验室系统旨在将实验室的功能封装在一个微型设备中，用于医疗诊断、生物医学组织工程和环境采样。但这类系统通常需要笨重的辅助设备，如射流泵、显微镜和高压电源，因此被称为“实验室中的芯片”。2002年5月18日，加拿大魁北克省蒙特利尔麦吉尔大学生物医学工程系麦吉尔基因中心David Juncker等人在Science期刊（科学）发表了题为“Microfluidic chain reaction of structurally programmed capillary flow events”的文章，报道了一种芯片上的实验室系统，它可以轻松通过3D打印获得，只需要借助一部智能手机，就可用作光电探测器。该设备可以和手机一起检测人体唾液中的一系列生物学指标，包括检测新型冠状病毒。



[文章概览]

基于微流体链式反应的微流控系统实现了小型化，不需要额外的设备，使基于芯片的设备更接近主流商业现实，其框架可以广泛应用于诊断。
第一个芯片实验室系统建于1970年代。它是一种气相色谱分析仪，一种通过蒸发分离化合物的设备。它由硅制成，采用微电子行业开发的制造技术。然而，尽管这些技术提供了令人印象深刻的精度，但使用微加工方法构建芯片上实验室系统仍存在许多组织上的问题。尤其是，通过此类方法生产的设备通常由聚二甲基硅氧烷（更广为人知的别称是，PDMS）制成，因其透水性强，从而产生流体浸出和蒸发等问题。芯片实验室设备的组件通常也需要多种精密制造工艺，这限制了制造的可扩展性。
因此，人们的注意力转向测试使用激光消融和2D或3D打印技术构建的系统原型。David Juncker等人使用3D打印技术构建了他们的芯片实验室系统。这为构建低成本设备提供了一个蓝图，需要最少的制造技能，并可以纳入众多功能，如流体流动。
作者的装置包括微米尺度的通道和储层网络，可用于操作含有试剂的液体，从而控制生物反应。该系统通过使用多米诺骨牌阀来控制一系列储层中的试剂释放，从而促进微流体链式反应(图1)。只有当链条中前面的储层排干后，才会打开一个储层。通过这种方法，David Juncker等人能够控制化学链式反应的传播。



概览图1

为了做到这一点，他们利用了毛细管作用，这种现象发生在固体和液体之间的界面上的分子间粘附力与液体中的粘结力的竞争作用。植物利用这种机制将水吸入根部，微流控平台可以利用同样的原理，通过改变通道表面的有效“润湿性”来控制流体的流动。David Juncker等人设计了一个这样的系统，其中目标流体的表面相互作用可以在3D打印通道中控制。他们通过仔细考虑材料的表面特性和通道几何结构来实现这一点，从而实现复杂的流量控制。



概览图2

使用毛细管作用的关键优势在于，它消除了对大型流体泵送系统的需要。作者用一个类似于电路的系统分析了他们的微流控设备。例如，流动速度与电阻相当，因为流动阻力的增加会减缓流体的迁移。如果阻力增加超过阈值，流体可以固定在通道结构内。
这项研究的一个令人印象深刻的方面是开发了可用于操纵流、控制迁移速度以及停止和重新启动流的配置。该设备还可以在不引入气泡的情况下将多个流汇集在一起，这是任何微流控系统的短板。
也许更重要的是，这些配置可用于从充满的通道中排出液体。这种能力改变了游戏规则，因为清除复杂的微通道流体网络绝非一件小事。通常使用空气置换流体，这种方法通常会导致形成气泡和难以清除的停滞区域。David Juncker等人的演示为精确控制反应过程中使用的流体体积铺平了道路，使此类微流控系统易于使用，并最大限度地减少昂贵试剂的浪费。



概览图3


该团队将其设备用于唾液测试SARS-CoV-2抗体。该测试可能被用于检测感染，评估患者的预后，并区分接种疫苗的个体和通过感染获得抗体的个体。结果可以用眼睛读出，也可以用智能手机进行量化，智能手机配有一个简单的纸板附件，用于阻挡环境光线。作者还表明，该芯片可用于检测血浆凝固情况，从而评估一个人的血栓风险。
最终，David Juncker等人的研究为困扰微流控系统的几个长期存在的“实验室中的芯片”问题提供了一个可靠的解决方案，并且以引人注目的方式实现了这一点。作者的设备有可能取代目前便携式诊断系统的“王者”，即横向流动测试，因为它是一个更复杂的平台，可以产生定量而非纯粹的定性诊断结果。这项研究能否成为家庭如何进行定量和临床有用诊断的关键部分？只有时间才能证明这一点，但鉴于2019冠状病毒疾病大流行后家庭诊断无处不在，这是朝着这一目标迈出的令人兴奋的一步。

[摘要]

链式反应以起始、传播和终止为特征，在微观尺度上是随机的，是重要化学（例如内燃机）、核技术和生物技术（例如聚合酶链式反应）应用的基础。在宏观尺度上，连锁反应是确定的，仅限于娱乐和艺术应用，如多米诺骨牌和鲁布·戈德堡机器。另一方面，微流控芯片实验室（也称为微全分析系统）被视为一个集成芯片，类似于微电子集成电路，但实际上仍然依赖于笨重的外围设备连接和计算机来实现自动化。毛细管微流体通过使用毛细管现象将能量供应和流量控制集成到一个芯片上，但编程能力仍然很差，最多可能有少数（8）种操作。在这里，我们介绍了微流控链式反应（MCR）作为毛细管流过程的有条件、结构编程传播。集成MCR的单片芯片是3D打印获得的，由纸泵的自由能驱动，一步一步地自动执行液体处理算法。通过MCR，我们自动化了（1）跨链式互连芯片连续释放300份等分，（2）检测唾液中SARS-CoV-2抗体的方案，以及（3）通过连续二次取样和分析凝血激活血浆进行凝血酶生成分析，并行操作包括计时器，同步流量和停止流量操作的迭代循环。MCR不受外围设备的限制，也不受外围设备的阻碍，在结构上对程序进行原位编码，可以形成一个低成本、通用、真正的芯片实验室，在液体处理和护理点诊断中有广泛的应用。

[研究背景]


MCR 编码了储存在一系列储层中的试剂的确定性释放，储层 n 的释放取决于储层 n-1中试剂的排空(排空) ，以及通过排空储层 n进而触发储层 n + 1的释放。毛细管多米诺阀(CDVs)对这个条件进行编码，并串联（成链），储层，从而控制链反应的传播(图1a)。MCR可在3D印刷电路中实现，该电路由一台普通立体光刻打印机制成，特征尺寸为100 µm至1.5 mm，使用等离子体室进行亲水化（图S1和2），用平盖密封，并连接到纸（滤纸或吸水垫）制成的毛细管泵。通过释放纸表面储存的自由能，纸被微流控电路中提取的水溶液自发润湿，从而驱动链式反应；换言之，毛细管泵产生负毛细管压力，通过主通道和通过小导管连接的串联排水侧储液罐以液压方式传回回路，称为功能连接。CDV在相邻储气罐之间形成空气连接，沿平行于主通道的路径将其串联，但被充满的储气罐中断，在CDV空气连接之间形成液塞。当通过连续空气链路连接到通风口的（第一个）储气罐排空时，塞子被移除，空气链路的长度传播到MCR中的下一个充满的储气罐（图1a–d）。这种简单的设计在结构上对毛细管流过程的条件传播和任意数量的N个储层的逐步释放进行了编码，不需要外围连接或移动部件。



图1：带有单片CDV的MCR，用于在毛细管电路（CCs）中连续输送试剂



图S1: 3D打印的设计和测量尺寸渠道



图S2：用于 MCR CC 的材料上不含和含食用染料的水的接触角

MCR需要辅助式毛细管微流控组件，根据预期操作（例如，在MCR过程中加载、保持、混合和排放液体）实现不同功能，以形成完全集成和可扩展的毛细管电路（CCs）。CCs的设计基于一个构建块库，包括毛细管泵、流阻和多种类型的毛细管阀（截止阀（SV）、触发阀、滞留阀、滞留爆破阀（RBV）），因此类似于微电子集成电路，但缺乏可扩展性和功能性。在MCR中，样品流经毛细管流通过带有毛细管保留阀的入口加载，并完全填充三个SV排列的储层，其中两个SV具有连接到两个横向CDV的双RBV功能，另一个位于功能连接和主通道的交叉处（图1c）。虽然功能连接是一个看似简单的直通道，但它实现了六个关键功能。它是（1）储液罐加注过程中的通风口，（2）一个SV，用于防止试剂在排空时溢出到主通道中。主通道填充后，它形成一个（3）液压连接，将压力从主通道传播到储层，（4）一个屏障（和瓶颈），阻碍储层和主通道之间试剂的扩散。（5） 储液罐排空期间，它成为出口和流动阻力，以及（6）储液罐排空后阻止空气侵入主管道的毛细管滞留阀。因此，它的设计有许多权衡。

我们试图通过理论和实验来了解 MCR 的设计窗口和失效模式，特别是在 CDV 下游条件可能过早触发的情况下。MCR-CCs 根据以前建立的设计准则，在考虑3D打印机性能包括分辨率、不精确度和打印误差的情况下，结合了大量的毛细管 SV。然后我们分析了基于电路类比的 MCR (图S3) ，并导出了一个忽略微小电阻的简化电路(图2a)。该方法的成功和增量传播是以防止储层 n 中的液体突破到连通 n + 1的 CDV 和空气链为条件的，这相当于规定储层 n 中的所有液体必须只通过功能连接 n 流动。



图2: 电路分析和实验确定了 MCRs的操作窗口



图S3：包括毛细管多米诺阀 (CDV) 和功能连接 (FC) 的 MCR 装置的等效阻力和压力源图

贮水库n至n+ 1的流道被CDV中断，CDV包括一端的毛细血管SV和另一端的RBV，破裂阈值分别为P(BURS)和P(RBV)。如果这些阀门中的任何一个过早失效，则MCR的传播有中断的风险。但由于两个阀门都是通过空气连接中截留的空气进行气动连接的，它们的压力是相加的，因此任何一个阀门的故障阈值都是这两个阀门的总和。当功能连接(FC) PFC = QFCRFC的压降满足下列数学公式时，成功的条件是Q(FAIL) = 0，即满足水库n排水时的压力降。




我们计算了 P(BURS) (数值)和 P(RBV) (解析)的管道具有正方形截面(W = H)的典型尺寸在我们的3D 打印的 CCs 中，并实验测量了他们的数值用于验证(图2b 和图S4)。P(BURS) 和 P(RBV) 均与矩形管道的最小尺寸成反比。我们解释了两种情况下密封胶带形成的疏水顶板(图S2b) ，这是形成一个功能性 SV的关键特征。请注意，由于相对较低的压力和体积较小的空气链接，压缩空气是可以忽略不计的。

接下来，用不同的毛细管压力和流量的泵测试了几个具有大型和增加的 R(FC) 功能连接的MCR。阻力和流量之间的相互作用决定了 CDV 的操作窗口，而他们是反比例的。我们发现 MCR 的操作窗口在理论和实验之间有很好的一致性，而且只有在  R(FC) 的最高值(第5和第6号)和最强大的毛细管泵(图2c，d 和图S5)出现故障。在概念验证应用中使用的 MCR 设计，如下所示，完全在故障阈值之内，有助于确保链式反应的可靠传播。
我们分别为液体（主通道）和空气（连接CDV）设计了一个无泄漏连接的芯片到芯片接口，并用75个MCR连接了四个芯片（图3a）。这一结果说明了MCR和CDV的可靠性，并证明了“被动”毛细管微流控的集成、大规模流体操作，超出了许多“主动”计算机可编程微流控系统的能力。



图3：唾液中大规模MCR和2019新冠血清学检测



图S4 SV/RBV 爆破压力实验与模拟



图S5 CDV 和 MCR 的实验操作窗口

[SARS-CoV-2特异性唾液抗体自动检测试验]

我们测量了唾液中抗SARS-CoV-2核衣壳蛋白（N蛋白）的抗体，该抗体在早期感染检测，作为预后指标的初始患者评估、以及用于区分接种疫苗和自然感染个体的血清学调查方面具有潜在的应用价值。使用预干燥试剂的常规横向流动分析操作简单，但通常不包括作为实验室酶联免疫吸附试验（ELISA）基础的酶放大，并且必须在完成后几分钟内读取。在这里，我们使用MCR自动化常见实验室ELISA协议中的八个步骤序列（图3b）。芯片连接到一个小型纸泵以排出多余的缓冲液，用于分析读数的硝化纤维条本身连接到一个驱动MCR的大容量纸泵。请注意，MCR以与主通道中的流动相反的方向传播，从储液罐中依次释放的试剂都会流过之前排空的储液罐，从而将试剂之间的扩散混合降至最低。我们使用3,3ʹ-二氨基联苯胺作为底物，在酶转化过程中产生棕色的持久沉淀物，可以作为即时读数和存档记录。容量、时间和试剂浓度等分析参数按照标准协议进行了广泛优化（示例参见图S6），并将在其他地方报告。结果可通过肉眼可视化或使用扫描仪或与简单折纸盒集成的智能手机量化，以最小化光干扰，并具有灵敏、定量和可再现的输出（图3c和图S7和8）。

[自动微流控凝血酶生成分析（TGA）]

常规凝血试验（凝血酶原时间和活化部分凝血活酶时间）用于初步评估止血状态。这些试验在凝块形成时终止，因此仅在凝血开始时提供信息，而凝血级联反应继续并产生95%的凝血酶（凝血级联反应中的最终酶）。因此，以内源性凝血酶潜能表示的止血能力无法通过这些试验进行充分评估。全局凝血分析，如TGA，可提供凝血血浆中活性凝血酶浓度的时间过程，是更好的止血功能测量方法。凝血酶生成曲线（也称为血栓图，图4a）的峰高、形状和曲线下面积可以确定，并与临床表型相关，以研究凝血障碍，并测量抗凝剂的效果。 TGA 是在20世纪50年代第一次引入的，涉及到血液或血浆凝固的激活，然后是一个两阶段的测定，要求在20分钟左右的过程中，以精确的时间间隔(例如1分钟)收集和混合纤维蛋白原(或显色底物)的亚样品，然后对每个样品中的凝血酶进行定量。劳动强度、严格的时间要求和错误风险是通过二次抽样广泛采用和临床使用TGA的巨大障碍。2002年推出的校准自动血栓图（CAT）简化了操作，这得益于新合成的凝血酶底物、使用掺有参考材料的患者样本的校准TGA和数学推断。



图4: 血浆亚样品连续分析(血栓芯片)自动 TGA



图S6 SARS-CoV-2 抗体检测优化示例



图S7 硝酸纤维素上的 SARS-CoV-2 抗体测定膜

在这里，我们展示了MCR通过在微流控中进行二次采样来自动化原始TGA的能力，我们称之为“血栓芯片”。我们设计了一种算法（图4b），用于通过级联、迭代和分支流体操作来自动化和定时程序，并从结构上将其编程为3D打印芯片（图4c、图S9）。将去纤维蛋白化、凝血激活的血浆子样本和试剂加载到血栓芯片中，在触发MCR时，无需进一步干预，他们每隔1分钟从10对水样释放一次，在蛇形混合器中混合并储存在2.1 µl的反应室（宽500 µm），用于使用摄像头生成和读出荧光信号。每个子样本中的凝血酶浓度与荧光底物周转率成正比，凝血酶的时间过程以血栓图的形式报告。



图S8 可折叠的盒子，用于减少期间的光干扰基于智能手机的测试读数



图S9 3D打印的微型计算机断层扫描图像血栓芯片

TGA子样本分析算法的可靠执行面临着几个实际挑战，尤其是同时排放两个水样本身就不稳定。事实上，一旦一个储液罐开始排水，CC中的（绝对）压力就会下降，并很容易降至第二个储液罐RBV的阈值以下，该阈值不会破裂，这意味着储液罐将保持充满状态。MCR和3D打印有助于克服这一挑战，含有血浆和试剂的储液罐对可以同步排出。将储液罐n的出口连接到两个n的RBV的嵌入式空气链路 n + 1和n + 1'，是相同且非常弱的RBV（横截面，1 × 1 mm2）导致链式反应同时爆发和可靠传播。其他关键功能包括蛇形混合器；停止流动并将溶液保持在反应室中，以进行凝血酶定量；主出口处的压力固定结构，用于在流体操作完成后切断与纸泵的液压连接；在凝血酶反应的长期监测和成像过程中，主出口处的RBV固定液体并帮助防止回流，以防止反应室不受控制的混合和最终蒸发。
作为血栓芯片的验证，对人血浆、去除因子V、VIII和IX的血浆以及加入抗凝剂依诺肝素（抗因子Xa药物）的血浆进行了分析。相应的血栓图是可重复的，与因子耗竭引起的正常和受损凝血级联反应一致，并测量了依诺肝素的剂量反应（图4f，g）。在这些概念验证实验中生成的血栓图的总体轮廓与CAT和其他基于微滴定板的分析的血栓图具有可比性，但直接比较滞后时间和峰值浓度等数据需要标准化的样品处理、参考材料和标准化，这可以指导血栓芯片的未来开发。

[结论与讨论]

MCR在中尺度引入了确定性、模块化和可编程链式反应，并通过控制液压和气动流量和连通性，为自主、可编程液体操作和算法提出了新概念。迄今为止，只有通过计算机、软件程序和笨重的外围设备才能实现复杂和重复液体处理操作的自动化，无论是机器人，还是在微流体情况下，提供试剂、电源或流量控制的系统。MCR将中尺度链式反应作为一种节约、集成、可扩展和可编程的过程引入，为集成芯片实验室提供动力。
MCR芯片微结构同时是连锁反应的电路和代码，可采用多种技术制造，并可沿着两条不同的路径进行扩展：首先，遵循微电子示例和摩尔定律，通过缩小和增加每单位面积和每单位体积的特征数量（例如，使用3D打印）。第二，通过互连和链接芯片，扩大CC-MCR的总体规模，并受树木的启发，能够吸取超过100 m高的液体，连接到强大的毛细管泵。我们预计步骤的数量远远超过此处显示的300步，并且算法比血栓芯片的算法复杂得多。
MCR具有通用性，与正压操作兼容，并可与主动微流体和机器人液体处理系统连接。使用永久亲水性树脂或涂层、液体储存袋和预干燥试剂也可进一步改善自发毛细流动MCR，尤其是用于护理点应用和任何其他用途。最终端用户只需在入口处滴下一滴溶液，就可以触发定时操作的编排，包括对几种化学品的分配额、输送、混合、冲洗和反应。由于MCR可以在芯片中进行3D打印构筑和单片编码，因此进入门槛非常低（入门级树脂打印机的成本<300美元）。MCR可以方便地在家制造，也可以邮购，为快速传播、新发明、新进展以及可下载和打印的微流控应用开辟了道路。
本公众号承接论文中英互译、论文润色等服务。详情请私信本公众号或发邮件至：topjournaltrack@163.com

欢迎关注公众号：顶刊追踪！
欢迎发私信参与讨论！