一文读懂什么是微流控芯片

一文读懂什么是微流控芯片

一、微流控芯片的基本定义

微流控芯片,又称芯片实验室(Lab-on-chip),是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术。目前,主流形式的微流控芯片是指把化学和生物等领域中涉及的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米甚至更小的芯片上,由微通道形成网络,以可控流体贯穿整个系统,用以实现常规化学、生物、材料、光学等不同实验室的各种功能的一种技术[1]。2017年,中国科技部将微流控芯片定位为一种“颠覆性技术”,而微流控芯片中的重要分支——器官芯片则被世界经济论坛评为2016年世界“十大新兴技术”之一。

微流控芯片实物示意图

二、微流控芯片的材料与制作

芯片的材质决定了芯片的性能,要制作微流控芯片,芯片材料需遵循以下原则:良好的生物相容性、良好的电绝缘性和散热性、良好的光学性能、表面具有良好的可修饰性、制作工艺简单且制作成本低。目前,微流控芯片制作常用的材料有:单晶硅片、石英、玻璃、有机聚合物(PMMA、PDMS、PC、COP)等,其中以聚合物最为常见。高分子聚合物的制作技术主要包括热压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀法、LIGA法、软刻蚀法等。

三、微流控芯片的流体驱动与检测

在微流控芯片中,流体驱动方式一般可分为两类:机械驱动方式(包括气动微泵、压电微泵、往复式微泵、离心力驱动等)和非机械驱动方式(包括电渗驱动、重力驱动等)。和传统的检测器相比,微流控芯片对检测器的要求更加严格,这主要体现在以下三个方面:灵敏度高、响应速度快和体积小。在目前的微流控芯片检测技术中,光学检测法和电化学检测法应用最为广泛。

四、微流控芯片的应用

微流控芯片在现阶段主要应用在以下三个方面:

①分析诊断

微流控芯片作为一种耗样量低、分析速度快、灵敏度高的分析平台,在即时诊断(POCT)领域具有巨大的应用潜力。微流控芯片在实现POCT产业化的应用主要集中在以核酸分析为代表的分子诊断和以蛋白质分析为代表的免疫诊断,也包括一些以代谢物分析为代表的生化诊断。另外,由于细胞群体的异质性,液滴微流控芯片也被应用于单细胞分析技术中以将单个细胞作为研究对象。

②筛选合成

对不同材料作高通量筛选是液滴微流控芯片是微流控液滴芯片的重要应用领域,例如工业酶或分选不同抗生素抗性的细菌等。另外,由于液滴操控灵活,形状可变,大小均一,可被应用于材料领域,特别是高附加值微颗粒材料的合成领域。

③器官芯片

以微流控技术为基础,和生物学相结合,以活细胞为背景,用微工程装置形式重组的人体器官,重现人体的生理和力学功能,并通过精确的控制流体流动与机械信号和组织-组织界面相结合,建立动态模型,能实现比传统静态细胞培养更加仿真的效果。2010年,哈佛大学Donald Ingber等在《Science》杂志上发表的肺器官芯片是一种具有代表性的器官芯片[2]。器官芯片是当今对哺乳动物及其微环境进行操控的最重要的技术平台,微流控器官芯片有望替代小白鼠等动物模型,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。

器官芯片

单肺器官芯片装置

[1] 林炳承.器官芯片[M].北京:科学出版社,2019.

[2] Huh D, Matthews BD, Mammoto A, Montoya-Zavala M, Hsin HY, Ingber DE. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science. 2010 Jun 25;328(5986):1662-8. doi: 10.1126/science.1188302.

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