黑科技-微流控在生命科学领域的应用
微流控（Microfluidics）是一种在亚微米尺度下精确控制微尺度的流体，将样品的制备、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的技术，简称为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)，这是一个集生命科学、化学分析、流体力学、光学、高分子材料、模具设计、机械制造等学科交叉的崭新研究领域。由于微流体所需通道的微米级的结构，最大的特点是检测样本体积少、试剂消耗及能耗低，生物化学反应速度快、易于工业化扩大生产及批间稳定性好。
发 展 背 景
1965年，诺贝尔物理学奖颁给了Pfeynman教授，微流控技术被Forbes评为影响人类未来的15件最重要的发明之一。微流控芯片早期是从MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技术发展而来，通过微加工工艺在硅、金属、高分子聚合物、玻璃、石英等材质的基片上，加工出微米至亚毫米级的流体通道、反应或检测腔室、过滤器或传感器等各种微结构单元，而后在微米尺度空间对流体进行操控，配合流体控制或分析仪器自动完成生物实验室中的提取、扩增、萃取、标记、分离、分析，或者细胞的培养、处理、分选、裂解、分离分析等过程。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。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”。
发 展 前 景
微流控产业未来10年将出现加速增长的势头，尤其是在循环肿瘤细胞和液体活检中DNA的中的样品制备和分离，免疫层析，化学发光以及分子诊断等领域。同时，器官芯片能为药物试验和筛选提供更丰富的预测模型，将有潜力成为数十亿美元的市场。
在产业化中，微流控一般分为以下几大类型：毛细张力自驱动微流控，压力推动式微流控，离心力推动式微流控，液滴微流控，纸质微流控等。
01
微流控与POCT
即时检测（point-of-care testing, POCT）以实现便捷的现场即时医学检测为主要思想，旨在借助一体化检测器或便携式仪器，缩减样本运输管理成本，降低检测等待时间，缓解临床应用对高端仪器的依赖。20世纪90年代初提出的微流控芯片（microfluidicchip）技术依托现代微加工工艺，可实现采样、稀释、加试剂、分离、检测等实验流程和生化反应在单片平板芯片上的集成，其可满足从生物小分子到细胞的不同尺度对象检测需求，并可通过在后端耦合光、电、热等形式的检测器和读数装置，实现检测流程的自动化和检测结果的信息化。微流控芯片微型化、集成化、自动化的特性，高度切合POCT检测技术的发展需求，对优化临床检测具有重要意义，近年来已日趋成为POCT领域的研究热点和核心技术。
（1）i-STAT血气分析仪，主要检测血气，生化，凝血以及新加入的心肌标志物模块。
特点：
就地检测——检验实施地点无严格要求。
操作简单——操作人可为临床医护，也可为专业检验人员。
检测多项——测试卡种类齐全，可检测血气、生化、电解质、血凝及心肌标志物，可根据临床不同科室需求选择。
无需维护——一次性电极，减少维护成本（人力、物力及财力），更不会因蛋白漂移而导致测试结果不准确。
样本量少——仅需95μl，特别适用于新生儿科。
（2）Triage系统是比较成功的免疫层析POCT商业产品，该系统可直接通过全血高效检测急性心肌梗塞相关标志物。该系统采用聚合物微流控通道代替传统的硝酸纤维膜，使得液体迁移的重复性和稳定性都得到了极大的提高。系统特点：通过在流体通道中设计一些正六边形的微柱结构，以增加流体的表面张力，从而使得液体的毛细作用力驱动液体向前流动，液体通道材料表面的疏水性修饰可以控制样品的流速。荧光染料替代传统的胶体金作为标记物，这种荧光染料的激发光波长在700nm左右，能明显提高检测过程中的信噪比。
Triage仪器和检测芯片外观
芯片区域反应原理
液体微通道中微柱结构示意图
02
微流控与器官芯片
新药在上市前需要进行大量的药代动力学、毒性和活性评价等临床前药物筛选过程，传统的方法则以动物试验为主。然而，动物试验周期长、耗费巨大，同时存在伦理纠纷。尤其是动物和人类的代谢系统有着很大差异，把动物身上得到的结果直接用于人体存在很大风险。因此，动物试验过程的种种弊端已成为当今全球范围内影响药物研究和开发的主要瓶颈。基于微流控原理开发的器官芯片能同时测定药物的吸收、分布、代谢、消除等药代动力学参数，并能进行药物的抗肿瘤和肝毒性评价，初步具备了试验用动物的功能。同时，该芯片由数个基本模块依次由上而下连接构成，可灵活组合、规模集成，并根据实际需要，任意更换其中的细胞和组织种类以及模块的叠放顺序，从而朝最终取代临床前动物试验迈出了重要一步。
人肝-肾联合器官芯片示意图Schematic diagram of the integrated liver-kidney chip
器官芯片之肺部芯片（Lung-on-a-chip）
结语：
微流控技术作为一种新型技术，随着其产业链的日趋成熟，凭借其独特的优势，相信在不久的将来，必将推动人类生命健康领域的发展。
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