医用微流控芯片研究进展
发布时间：2021-10-18
摘要近年来,随着社会经济的飞速发展,新型科学技术层出不穷,微流控芯片因具有试剂消耗量少、能耗低、反应速度快、高通量化、液体自驱等独特优势,已经发展成为集生化、医学、电子、材料及其交叉学科的研究热点.微流控技术(microfluidics)是在微电机加工系统(MEMS)技术基础上发展而来的,是在微米级微管中精确操纵微量流体的技术手段.随着柔性材料(纸、光子晶体膜)和复杂加工工艺(飞秒激光、双光子3D打印等)的不断发展,微流控芯片已走向多功能高度集成的技术革新路线.其发展日新月异,目前有关微流控芯片的综述性报道层出不穷,但是对最新的微流控芯片特别是在医学领域中的应用仍然较少.本文对微流控芯片在医学领域的应用进行了全面而深入的总结,主要综述了微流控芯片制备的前沿方法、检测手段以及在医学领域的相关应用,并展望了微流控芯片面临的主要挑战和未来发展方向.
关键词微流控,传感器,微芯片,柔性芯片,医学分析,可穿戴传感器
1引言
微流控芯片(microfluidicchip)[1],又称芯片实验室(lab-on-achip)或者生物芯片.微流控技术[2]由微机电加工系统(micro-electro-mechanicalsystem,MEMS)发展而来,是在微米级微管[3]中精确操纵[4]微量流体的技术手段,具有将生物、化学等实验室微缩到几平方厘米芯片中的基本功能(样品的制备、分离、反应、检测等).随着材料科学的发展,作为微流控芯片载体的材料也层出不穷,从硅、玻璃到纸基[5]、水凝胶[6]以及各类聚合物和纳米材料[7,8].与此同时,微流控芯片的制备技术也蓬勃发展,如丝网印刷、喷墨打印、3D打印[9,10]等.一些高精尖的加工技术如飞秒激光加工技术、双光子3D打印技术也为高精密度的微流控芯片的制作提供了更多可能性.
微流控芯片有着微型化、高灵敏度、高集成、高通量、反应快、检测时间短等技术优势,在生物医学研究、合成分析[11]、司法鉴定等众多领域有着广泛的应用(如可穿戴微流控设备[12]、体外医疗诊断[13]、仿生皮肤[14]组织器官[15]、生化[16]与环境分析、单细胞分析[17]、核酸分析、药物筛选递送[18]).迄今为止,微型化、集成化和智能化已经成为现代科技手段的重要趋势,在这样的大环境下微流控芯片的发展十分迅速.其分类方法多种多样,可根据不同的分析检测方法将微流控芯片分为电化学检测法[19]、光谱分析法(核磁共振[20]、化学发光分析法[21])、非标记检测法[22]、分离富集[8]等.
微流控芯片是医学领域新一代床旁诊断(pointofcaretesting,POCT)[23,24]的主流技术(图1).POCT可直接在被检者身边提供快捷有效的生化指标,现场指导用药,使检测、诊断、治疗成为连续过程,对于疾病的早期发现和治疗具有突破性的意义.基于微流控芯片技术的POCT仪器发展趋势是小型化、操作便捷,直接输入体液样本[25],迅速得到诊断结果[26],由医生指导用药.目前,市场上有多种即时诊断方法,但仅有简单的流动测试工作没有流体管理技术.当测试复杂性增加时,微流控技术是不可或缺的技术.在治疗肿瘤癌症的医疗领域方面,微流控技术同样大放异彩,如何使药物特异性地杀死肿瘤细胞而不伤害正常细胞,一直是业界难题.vanEsch课题组[27]在微流控设备中搭载具有双重功能的新月形微凝胶,研究发现这些微凝胶对肺癌细胞有高亲和、高选择性,可以达到肺癌化疗的效果并且减轻副作用对人体的伤害.微流控细胞/组织/器官操作芯片是哺乳动物细胞以及微环境操作重要的技术平台,有望应用于代替各类动物模型,模拟人体内环境(人体、组织芯片[28]),用于药物筛查递送,研究药物毒理和药理作用,人体耐药性[29]的产生机制甚至肿瘤、癌症的早期诊断治疗等.
总览近两年来微流控芯片应用于医学领域的相关研究报道,我们发现很多新兴的研究进展还缺乏全面的综述.本文对这一蓬勃发展的领域进行了较为全面的概括,不可置否的是,微流控芯片技术给基因、免疫、微生物和临床等医学领域带来了颠覆性的突破,也是以人工智能为核心的第四次工业革命下必然高速推进现代科技发展的一门技术.随着柔性膜的迅速发展,基于多功能性复杂材料制作的微流控芯片技术使诸多疾病的早期预防诊断治疗成为可能,并推动临床医学走向个性化、智能化诊疗.
2制作技术
对于微流控芯片而言,多功能、高集成、微型化是其发展的关键所在.随着材料科学的发展,微流控技术在无数科研人员的不断探索中,经历了从丝网印刷、软光刻到纸质微流控,再发展为更精确的飞秒激光加工技术、双光子3D打印技术的过程,制备方法也趋于便捷,精度逐步提高,而控制成本成为限制其工业化制备的首要难题,以下总结了目前较为常见的制备方法.
2.1丝网印刷
丝网印刷作为传统的印刷技术,成本低廉、工艺简单,主要应用于电路板、医疗器械、服装等领域.随着微流控技术的发展,为控制其成本以适应工业化生产,丝网印刷逐渐被应用于制备微流控芯片.如图2a所示,Mettakoonpitak等[30]提出了简单、低成本的丝网印刷可降解聚己内酯(PCL)用于制备微流控纸基分析设备(mPADs)的方法.与传统的蜡印方法相比,PCL丝网印刷mPADs实现了精确的疏水边缘生成.利用银纳米粒子探针进行比色检测,该装置可用于分析纳克水平的Cr3+.丝网印刷技术的设备要求不高,因此大大降低了微流控芯片的制作成本,而且加工步骤少,可重复性高,有利于微流控芯片走向工业批量化生产.
2.2切割和激光打印
与丝网印刷不同,激光打印是非接触式微加工技术,可以直接根据金属、塑料、陶瓷等材料中计算机CAD的数据来加工复杂的微结构,目前已被应用于微模具和微通道的加工中.该方法仅需要在智能设备上进行简单的操作步骤就可以实现高精度打印,对于环境洁净程度没有要求.但是由于紫外线激光的能量高,存在一定的安全隐患,需要在标准的激光实验室中进行操作,并使用专业安全防护设备.基于以上特点,如图2b所示,Lao等[31]提出了激光打印微柱自组装(columnself-assembly,CFSA)的可切换自组装方法,结合超临界干燥和毛细管驱动力,用于制备3D纳米等离子体结构.在超临界干燥溶剂开发过程中,聚合物柱可以保持直立状态,然后在金属涂层和随后的CFSA后形成纳米孔.由于该方法具有良好的灵活性,可以在平面或非平面基底上制备各种图案的等离子体纳米缝隙结构,可用于表面增强拉曼光谱(surfaceenhancedramanscattering,SERS).这种微通道中的纳米结构也可以应用于抗癌药物(阿霉素)的局部传感.该方法结合了自顶向下和自组装技术,为在流体通道中创建纳米缝隙支持的SERS器件提供了简便、有效、可控的方法,从而推动了其在精准医疗中的应用.
2.3喷墨打印
喷墨打印一般应用于不同材料的精密组件喷印成型,其优势在于高速度、自动化、低成本、环境友好度高等.利用喷墨技术可直接将墨滴喷射到电路板上,从而精确绘制电路图,如图2c所示.McIntyre等[32]报道了利用碳基导电墨水与热塑性微流控芯片进行电极集成的新方法.导电墨水电极非常适合热塑性塑料中微流控器件的快速成型,当与更高通量的应用方法(如喷墨打印)相结合时,则具有规模化生产的潜力.该系统已用于热塑性芯片液滴电容传感、合并和分选.这些概念是首次应用在具有成本效益的热塑性液滴微流控设备中.喷墨打印可以与3D打印技术相结合制备器官组织支架等,超高精度的打印在生物医药领域具有广阔的应用前景.
2.4光刻打
印光刻和蚀刻技术起源于半导体和集成电路芯片制造,是微流控芯片制造中最基本的技术,目前已广泛应用于硅、玻璃和石英基板上的微结构制造.光刻和蚀刻包括三种工艺:薄膜沉积、光刻和蚀刻.光刻可以使其表面具有疏水性,增强基底表面与光刻胶的黏附性.如图2d所示,Hu等[33]通过将pH敏感的水凝胶微环阵列集成到微通道,提出并演示了可调微流控装置(TMFD),可在200ms内完成微环的瞬时可逆变形.微环的阵列间隙可逆性切换可实现微物体的捕获或释放.此外,作者首次采用飞秒激光全息处理方法将pH敏感的水凝胶微环绘制成微通道,并对激光处理剂量对水凝胶pH响应特性的影响进行了理论和实验研究.此方法可方便地实现TMFD的集成,不需要外部精密仪器,在微操作和生物医学分析等领域具有广阔的应用前景.当前我国的光刻打印技术仍存在很多难以攻克的技术壁垒,在眼下严峻的贸易环境中,光刻技术的突破对于我国的芯片产业链而言举足轻重.
2.53D打印
3D打印技术自20世纪80年代开始进入人们的视野,随着3D打印的设备和材料(墨水)的不断发展,其可以将导体、半导体等材料融合交织快速定型,因而在仿生器官和可穿戴设备方面有着巨大的潜力.目前应用十分广泛.如图2e所示,Walgama等[34]制作了新型的混合微流控装置(hyFlow),该装置由一次性纸电极和3D打印塑料芯片组成,用于检测磁珠-银纳米粒子(MB-AgNP)生物偶联物.3D打印尽管有着可定制性的优势,但其在柔性多功能可穿戴设备和植入设备方面仍处于开发初期,还面临着挑战,如提高精密度、分辨率,实现人工智能辅助3D打印[35]等.
3检测手段
近年来,世界主要大国都大力推行精准医疗,并将其作为长期发展战略.基于微流控芯片技术的发展,体外诊断(POCT)占据着目前最大的应用场景.人体每天都在分泌许多生物标记物,通过检测这些分泌物,我们就可以使用基于微流控技术的智能设备完成传染病、癌症等检测以及心脏病、中风等无预告疾病的预防.
3.1电化学
用于电化学分析检测的电极尺寸小、易制备,电化学检测法作为最容易将检测系统集成的检测方式,是目前微流控分析领域最有价值的研究方向之一.根据检测信号不同可分为电导检测法、安培检测法、电位检测法三种类型.微流控芯片的传感系统采用由工作电极、参比电极、对电极三个电极组成的三电极体系,且目前绝大部分研究都是基于三电极体系来进行的,这是因为三电极体系中,参比电极电位能够保持恒定.如图3a所示,Liu等[19]制作了新型的基于MXene(二维层状材料家族中新兴的类别)的电化学微流控芯片,将全血初始透析与后续检测相结合,并应用于在线肾功能测试.基于MXene纳米片,该设备可实现三种生物标志物准确、可靠和无干扰地同时定量以及多组分检测,很好地满足临床和大众的需求,可用作医疗点检测(POCT)设备.汗液、眼泪和血液等在POCT中都可以作为人体健康检测的指标.在实际应用中,如图3b所示,Huynh等[36]报道了可拉伸的微流控免疫生物传感器(SMIB)贴片,该贴片由中空的弹性纳米复合材料微纤维制成,用于人体汗液中神经肽Y(NPY)的高度敏感的体上生物传感.SMIB贴片结合了生物液体的处理和简单的手指触摸操作的洗涤溶液的输送,以及对人体汗液中极低浓度的NPY的分析能力,是很有前途的用于穿戴式非侵入性免疫检测的自我检测方法.电化学检测技术为生物体液中分子水平的生物标记物进行连续分析和检测提供了很好的技术储备.
3.2放射核磁
对于核磁共振成像技术(或称MRI)我们并不陌生,其是一种可拍摄身体内部状况的医学工具,当其与微流控技术结合时,微型观测设备可直接识别血管的状态,用于早期诊断一些无预兆疾病,以降低患者猝死风险.Plata等[37]介绍了一种核磁共振连续混合实验的微流控技术,核磁共振以非侵入性的手段来量化浓度,跟踪分子水平上的结构变化作为交换体积的函数.因此其在检测方面具有样本预处理时间短、检测速度快、灵敏度高等优点,对肿瘤标志物检测性好,临床应用前景广阔.
3.3非标记检测
“非标检测设备”是非标准的、定制研发的检测设备,相对于标准化检测设备,它是根据用户的独特需求,定向设计、研发、制造的检测设备,集成了多种快速自动的检测功能,是需求创新与技术创新的结合体,也被简称为“定制检测设备”.如图3c所示,Wondimu等[22]提出了一种多传感器芯片,该芯片由一系列耳语通道模式(WGM)微杯激光器集成到数字微流控(DMF)系统中,通过简单的自由空间光学来实现设备的抽运和读取,从而允许大规模传感器阵列被寻址.体折射率传感和链霉亲和素与生物素化传感器表面的特异性结合证明了该系统的可行性.这是第一次将光学腔用于DMF系统中无标记的生物分子检测.这种非标记检测方法可以扩展为多功能的检测平台,可针对广泛的临床相关的生物分子.但是它的通量较小,对样本的平行性要求高,可重复性低.在未来工业检测的方向是用自动化快速检测设备代替质检工人,降低人工成本,同时检测过程没有人的干预,也可有效避免人工检测的高差错率.
3.4分离富集
目前,还有一种分析技术可以实现在血液、体液及其他液态样品中将不同种类细胞进行快速分离、富集以及捕获.分离富集技术是微流控技术应用于单细胞分析(single-cellanalysis)市场中的重要赋能技术之一,主要的应用领域包括:临床免疫和肿瘤治疗市场、药物研发市场、体外诊断市场和科学研究市场.目前该技术已经在体外诊断领域的无创产前基因检测(NIPT)、循环肿瘤细胞和免疫肿瘤的样本处理、生物制药中的药物筛选等领域取得了初步应用,未来具有较大的市场发展潜力.该技术无需使用任何高压、化学标记、荧光染料或抗体等技术,因此可以较大程度地保证细胞的完整性和存活率,即便是细胞数量稀少的样品,其活细胞存活率也可达到90%以上.如图3d所示,Varongchayakul等[38]概述了集成微流控纳米孔生物传感器的制备和应用.固体纳米孔是新兴的核酸和蛋白质表征生物传感器,这种微流控纳米孔系统的电噪声与传统装置相当.微流控的纳米孔生物传感器具有反应/净化室,用于在受控和确定的条件下进行生物测定和净化温度.最后,利用磁性技术将分析物从周围的生物环境中分离出来.因此,这种方法中的生物传感器适用于DNA和蛋白质传感应用.在DNA定量方面的应用如图3e所示,Banerjee等[39]报道了可视化的DNA定量方法,即微流控离心辅助沉淀(μCAP),它是基于DNA沉淀与凝胶混合,然后离心.作者在两个离心微流控系统中演示了用于DNA定量的μCAP方法:带有离心微流控装置的CMOS摄像机和集成的改进DVD驱动器.μCAP法与其他尖端技术相比具有明显的优势.因为其不需要进一步的DNA纯化,而且速度非常快.与DVD平台上的实验室相结合,简单的DNA定量系统可以促进先进的护理点分子诊断的发展.——论文作者：周钱1,郭茂泽1,郑青松2*,高兵兵1*
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