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從血細胞中分離循環(huán)腫瘤細胞的“聲鉗” 在生物、化學、材料等科學實驗中，經(jīng)常需要對流體進行操作，如樣品DNA的制備、液相色譜、PCR反應、電泳檢測等操作都是在液相環(huán)境中進行。因此，顧名思義，“微流體”即指實驗所用的數(shù)量級從毫升、微升級降至納升或皮升級的流體。 微流體概念自從20世紀80年代（1980s）被提出以后，就已經(jīng)在物理、化學、生物化學、納米技術(shù)以及生物技術(shù)等多學科工程產(chǎn)生巨大影響，且將在生物醫(yī)學的領域繼續(xù)擴大范圍和下游相關(guān)的應用程序。例如，多路復用、自動化和高通量篩選等生物醫(yī)學和研究應用過程。 微流體依賴于約束在某種類型的小型設備（small-scale device）上精確液體的控制和操縱。如果要將樣品制備、生化反應、結(jié)果檢測等步驟集成到生物芯片上，這時功能強大的微流體裝置就顯得必不可少了。 該設備被稱為“微流控芯片”，是利用常規(guī)的平面加工工藝（光刻、腐蝕等）在硅、玻璃上制作的，或是在有機材料上印制、成型出微結(jié)構(gòu)的“軟光刻”微加工方法而成。 微流控分析芯片最初在美國被稱為“芯片實驗室”（lab-on-a-chip），在歐洲被稱為“微整合分析芯片”（micrototal analytical systems），它是微流控技術(shù)（Microfluidics）實現(xiàn)的主要平臺，可以把生物、化學、醫(yī)學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動完成分析全過程。在“微流控芯片”系統(tǒng)上，有著體積輕巧、使用樣品及試劑量少，且反應速度快、可大量平行處理及可即用即棄等優(yōu)點。 微流控技術(shù)的一些比較知名的應用包括：噴墨打印頭（inkjet printheads）、芯片實驗室系統(tǒng)（lab-on-a-chip systems）、毒素或病原體的生物傳感器（biosensors）。 7月11日-12日，微流控技術(shù)的發(fā)展和應用論壇在費城（Philadelphia）召開，GEN期刊采訪了數(shù)位研究不同種類技術(shù)微流控技術(shù)的專家。 1）“聲鉗”微流體，CTC分離和檢測的“好幫手” 來自賓夕法尼亞州立大學教授Tony Jun Huang發(fā)明了一種叫做“聲鉗”的裝置（見文章首圖），是利用超聲波在特定的容器或反應腔內(nèi)對目標樣品（生物粒子或細胞等）進行分離、捕獲等操縱的技術(shù)。 Huang教授表示，微聲的流體系統(tǒng)功率強度和頻率保持在生物相容的范圍內(nèi)。從本質(zhì)上講，聲學處理過程不改變細胞的屬性。聲光射流的能量密度用于超聲成像對妊娠試驗非常相似，這已被證明是絕對安全的。 事實上，這種技術(shù)是如此的生物溫和，可以用來轉(zhuǎn)移蛋白質(zhì)、高分子量DNA和活細胞，且具有無損傷或損失的可行性。這使得它適合于各種各樣的應用，包括蛋白質(zhì)組學和基于細胞的檢測。“聲鉗”微流體（Acousto fluidics）能夠在一個手機大小的廉價設備上提供高精度、高通量、高效的細胞/顆粒/流體操縱。 Huang教授開發(fā)的這款裝置的重要下游應用之一是對腫瘤患者體內(nèi)的循環(huán)腫瘤細胞（CTC）的分離和檢測。在他看來，這種技術(shù)非常適合于需要進行基因型分析的稀有細胞的分離和檢測。 2）雙毛細管微流體 David Juncker博士是麥克吉爾大學生物醫(yī)學工程系的助理教授，他主要專注于雙毛細管微流體的研究。他開發(fā)的于雙毛細管微流體可用于免疫測定和細菌檢測快速成型。尤其是，他將毛細管流驅(qū)動系統(tǒng)使用的親水性材料（主要是硅芯片）與蝕刻微通道的設計控制流程形成的復雜電路，能夠引入更加復雜的流體功能。 雙毛細管微流體的下游應用包括尿路感染心臟病和細菌檢測免疫（UTI）。根據(jù)David Juncker介紹，在UTI中大腸桿菌細菌試驗只需要大約七分鐘，遠低于與傳統(tǒng)的數(shù)小時甚至一天的培養(yǎng)與測定時間。 他將其細菌快速檢測過程中的3D打印稱作“學生的變革”，因為只需半小時到1小時的時間，即可快速設計和合成所需原型。因此，學生使用起來很上手，盡管這種過程會遇到復雜電路的設計障礙。他的團隊結(jié)合了生物材料、能量和流體流動的專業(yè)知識以及免疫學和微生物學的生物學方面的知識。 Juncker教授和他的同事們還是發(fā)表論文的多產(chǎn)者，自2013以來，在眾多期刊中發(fā)表了超過21篇發(fā)表的論文。他們還計劃向前邁進，讓DNA測試作為其研究的另一個應用。 3）紙基微流控芯片 科羅拉多州大學Henry Group 項目的領銜者、化學教授Charles Henry博士表示：紙基微流控紙芯片(paper-based microfluidic analytical devices，μPADs)是一種新興的微流控分析技術(shù)平臺，具有成本低、加工簡易、使用和攜帶方便等優(yōu)點，在臨床診斷、食品質(zhì)量控制和環(huán)境監(jiān)測等應用領域具有很大的應用前景。它用紙張作為基底替代硅、玻璃、高聚物等材料，這種分析器件被稱為紙上微型實驗室，也稱微流控紙分析器件。 在Henry教授看來，紙基微流控芯片在臨床診斷上的應用集中在肽核酸的比色檢測中，使用紙基微流控芯片的檢測速度遠高于細菌和病毒檢測。此外，他們實驗室基于“紙基微流控芯片”開發(fā)了一種環(huán)境中PM2.5暴露情況的診斷。 4）液滴微流控系統(tǒng) 液滴微流控系統(tǒng)（Droplet microfluidics，也稱“微流控液滴”）是微流控芯片領域的一個新的分支，可被廣泛應用于液滴微反應器、藥物輸運和釋放、單細胞包裹分析、基于液滴的數(shù)字化PCR、組織工程、診斷成像等，微液滴技術(shù)在商業(yè)上應用最為成功的例子要數(shù)噴墨打印機，可以極大減少用墨量的同時提高了打印的質(zhì)量。 來自加拿大滑鐵盧大學（University of Waterloo）機械與機電工程系芯片實驗室技術(shù)主任Carolyn Ren教授表示，她的實驗室評估了氣-液系統(tǒng)，以及依賴于兩種不混溶液體的系統(tǒng)。結(jié)果表示：液滴生成基本的轉(zhuǎn)運、捕捉和分類現(xiàn)象，以不同的幾何形狀的生成物理模型和液滴分選區(qū)。 在她進行的試驗中，與傳統(tǒng)的板式法相比，其設計的液滴微流控系統(tǒng)的容量是前者的1/1000。該技術(shù)平臺可應用于藥物篩選，DNA檢測和蛋白質(zhì)的結(jié)晶等其他應用。當然，這項技術(shù)也采用了電傳感機制，如電容和微波傳感。 微流體生物芯片目前受到極大的重視。微流體芯片，又被稱為“芯片實驗室”（Lab-on-a-chip）。生物芯片更被視為是后基因時代（Post-Genome Era）用來解讀基因序列之重要工具。 微流控系統(tǒng)可對微量流體（包括液體和氣體）進行復雜、精確的操作，如：混合和分離微量流體、化學反應、微量分析等等。微流體芯片還可以在稀有細胞的篩選、信息核糖核酸的提取和純化、基因測序、單細胞分析、蛋白質(zhì)結(jié)晶等方面發(fā)揮獨特的作用。 由于微流體生物芯片具有體積輕巧、使用樣品/試劑量少、反應速度快、大量平行處理及可拋棄式等優(yōu)點，因此在生物技術(shù)研究上的應用范圍非常廣泛。 可能感興趣的： |
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