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微流控芯片在IVD领域应用现状、关键技术、未来发展趋势大盘点!

编辑:岁福医疗器械咨询 时间:2021-08-25 阅读量:
 

  微流控芯片已经发展成为一门涉及材料、化学、物理、微机电、生物、医学等领域的综合性交叉学科,我从2003年研究生阶段在导师田昭武院士的引领下有幸进入这个前沿领域,先后从事基础研究、应用研究、产品开发工作,到今天开始走上创业的道路,也仅仅只能说局部地领略到微流控芯片这个伟大“艺术平台”的魅力。

  因此,今天在有限的时间里,我主要结合个人体会谈谈微流控芯片技术的一些观点,希望能够起到“抛砖引玉”的作用。

  另外,本人在博士后阶段师从于微流控芯片领域著名专家——林炳承教授,此次分享的内容部分引用了中科院团队近二十年来在微流控芯片领域丰硕的科研成果,以及导师林炳承教授的观点。

  今天我和大家分享的主题是“微流控芯片——注定要被深度产业化的科学技术”。

  (一)微流控芯片简介

  1.1 微型化、集成化和智能化

  微型化、集成化和智能化,是现代科技发展的一个重要趋势。伴随着微机电加工系统(MEMS)技术的发展,电子计算机已由当年的“庞然大物”演变成由一个个微小的电路集成芯片组成的便携系统,甚至是一部微型的智能手机。

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  与之发展类似,今天我们介绍的微流控芯片,又称芯片实验室(Lab-on-a-Chip),是一种以在微纳米尺度空间中对流体进行操控为主要特征的科学技术,具有将生物、化学等实验室的基本功能诸如样品制备、反应、分离和检测等缩微到一个几平方厘米芯片上的能力,其基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。

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  1.2 各种材质和功能的微流控芯片及实验室相关配套仪器

  微流控芯片早期也是从MEMS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。

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  1.3 微流控芯片的发展及应用领域

  上世纪90年代初,A.Manz等人采用芯片实现了此前一直在毛细管内完成的电泳分离,显示了它作为一种分析化学工具的潜力;90年代中期,美国国防部提出对士兵个体生化自检装备的手提化需求催生了世界范围内微流控芯片的研究;在整个90年代,微流控芯片更多的被认为是一种分析化学平台,因此往往和“微全分析系统”(Micro Total Analysis System, u-TAS)概念混用。因此,原则上,微流控芯片作为一种“微全分析”技术平台可以应用于各个分析领域,如生化医疗诊断、食品和商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学和航天科学等重要应用领域,其中生物医学分析是热点。

  2000年G. Whitesides等关于PDMS软刻蚀的方法在Electrophoresis上发表,2002年S. Quake等以微阀微泵控制为主要特征的“微流控芯片大规模集成”文章在Science上发表,这些里程碑式的工作使学术界和产业界看到了微流控芯片超越“微全分析系统”的概念而发展成为一种重大的科学技术的潜在能力。例如,利用微流控芯片作为一种微反应器,通过在微流控芯片上开展组合化学反应或结合液滴技术,有望用于药物合成与筛选,或纳米粒子、微球、晶体等的高通量、大规模制备,甚至形成一种“芯片上的化工厂或制药厂”。

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  (二)微流控芯片的战略意义

  自微流控芯片诞生以来,一直受到学术界和产业界的极大关注。2001年,“Lab on a Chip”杂志创刊,它很快成为本领域的一种主流刊物,引领世界范围微流控芯片研究的深入开展。2004年美国Business 2.0杂志在一篇封面文章把芯片实验室列为“改变未来的七种技术之一”。2006年7月Nature杂志发表了一期题为“芯片实验室”专辑,从不同角度阐述了芯片实验室的研究历史、现状和应用前景,并在编辑部的社评中指出:芯片实验室可能成为“这一世纪的技术”。至此,芯片实验室所显示的战略性意义,已在更高层面和更大范围内被学术界和产业界所认同。

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  2.1 作为一种战略性的科学技术,微流控芯片的发展有它的内在必然性

  首先,微型化是人类社会发展的一种趋势,面对我们所生存的已经消耗过度的地球,微型化反映了人类对资源枯竭的忧虑和对资源利用的优化。其次,世界上有太多的技术和流体操控有关,而当被操控的流体在一个微米尺度的空间里流动的时候,会出现很多新的现象,其中的一部分至今还没有被我们所充分认识。第三则是基于对系统研究的需求。系统学研究整体,更研究构成整体的各个局部之间的相互联系,自古以来,人类一直缺少微小但又能操控全局的工具,微流控芯片能承载多种单元技术并使之灵活组合和规模集成的特征使其可能成为系统研究的重要平台。

  2.2 微流控芯片的战略意义还根植于它和信息科学、信息技术的特殊关系

  一般认为,在二十世纪,人们借助于电子在半导体或金属中流动得到的“信息”,成就了具有战略意义的信息科学和信息技术;而在二十一世纪,通过带有可溶性生物分子或悬浮细胞的水溶液在微流控芯片通道或平面上流动以研究生命,理解生命,以至部分地改造生命,将有可能同样成就一种新的具有战略意义的科学技术:微流控学。因为,“生命”和“信息”构成了现代科学技术的核心。

  2.3 微流控芯片——当今国家产业转型的一种先导型科学技术

  微流控芯片是注定要被深度产业化的科学技术。这种判断首先当然是源于全球性产业转型需求的不可逆转,需求加剧,进程加快;另一方面,或许更为重要的,则是基于对这一科学技术在一些重大领域不可替代性的认识,而这种认识只是在最近的若干年内才被人们所逐步接受。它很可能发展成为当今产业转型的一种模式,对以生物经济为代表的新型经济产生重要影响。例如未来几年内,如果将微流控芯片与“生物手机”、“互联网+”进一步结合,这样一个由一种新兴技术引发的可能具有全局性影响的趋势,是否能够因此诞生一批“风口”行业值得大家期待。

  (三)基于微流控芯片的代表性关键技术

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  3.1 新一代床边诊断(point of care test,POCT)技术——Microfluidics-based POCT

  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、治疗成为一个连续过程,对于疾病的早期发现和治疗具有突破性的意义。

  POCT仪器发展趋势应是小型化、“傻瓜”式,操作简单,无需专业人员,直接输入体液样本,即可迅速得到诊断结果,并将信息上传至远程监控中心,由医生指导保健。目前,市场上有多种即时诊断方法,简单的流动测试工作没有流体管理技术,而当测试复杂性增加时,微流控技术是必要的。微流控芯片所具有的多种单元技术在微小可控平台上灵活组合和规模集成的特点已使其成为现代POCT技术的首选,经过近年的发展,已涌现了一批微流控芯片POCT分子诊断和免疫诊断的成功案例。

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(Cited from: Commercialization of microfluidic point-of-care diagnostic devices, Lab Chip, 2012,12, 2118-2134)

  3.2 超高通量筛选的主流平台——微流控液滴芯片

  在微流控芯片通道上加入两种互不相溶的液体,将其中的分散相以微小体积单元(10-15 L-10-9 L)的形式和极快的速度(100-10000个/秒)分散于连续相中,即可形成用作微反应器或微量生化样品载体的液滴。微流控芯片液滴已被认为是迄今为止最重要的微反应器,能提供一种在单分子和单细胞层面快速开展超大规模,超低含量反应的平台。液滴操控灵活,形状可变,大小均一,又有优良的传热传质性能,产生频率已达数十到数百KHz,在高通量药物筛选和材料筛选领域显示了巨大的潜力。

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(Cited from: Reactions in Droplets in Microfluidic Channels, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 7336-7356)

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  3.3 哺乳动物细胞及其微环境操控平台——微流控芯片仿生实验室

  由于微流控芯片的构件尺寸和细胞吻合,并可同时测定物理量、化学量和生物量,它已成为对哺乳动物细胞及其微环境进行操控的最具潜力的平台。目前已可以构建微米量级且相对封闭的三维细胞培养、分选、裂解等操作单元,并把这些单元成功延伸到组织和器官。器官芯片是一种更接近仿生体系的模式,可在一块几平方厘米的芯片中培养各种活体细胞,形成组织器官,乃至由不同器官芯片进一步组成活体芯片,从而模拟一个活体的行为并研究活体中整体和局部的种种关系。在药学领域,器官芯片将被部分替代小白鼠等模型动物,用于验证候选药物,开展毒理和药理作用研究。

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  (四)微流控芯片的产业化现状和发展趋势

  4.1 微流控芯片的市场前景

  微流控芯片作为一种革命性的技术平台,其市场前景显然是极其巨大的。最近几年微流控芯片取得了突破性进展,引起产业界的极大关注。这些突破性进展主要表现在两个方面,一是已涌现出一批关健性技术,它们在很大程度上具有不可替代性,并因此形成以医学和药学为代表,覆盖面很宽的应用领域,例如最近发展起来的器官芯片、液滴微流控芯片。其中,器官芯片或人体芯片,有望部分代替药物研发过程中的临床前动物实验,最大限度地节约研发成本、缩短研发周期,并且解决动物权等伦理问题,具有极其巨大的潜在市场价值。

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  二是其中的一些应用已经或正在形成规模产业,例如基于微流控技术的新一代床边诊断(Microflluidics-based POCT)系统,被产业界认为目前最有可能成为“Killer Appliction”(杀手级应用)的微流控芯片产品,其市场预计从2013年的16亿美元增长到2019年的56亿美元。

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(微流控即时诊断市场预测,法国市场研究机构Yole Development提供的数据,转载自互联网)

  4.2 目前市场上几种代表性微流控芯片产品

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  4.3 微流控分析芯片产品现状及发展趋势

  总体而言,当前的微流控芯片产品及发展趋势总结如下(个人观点,供探讨):

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  4.4 微流控芯片产业化关键问题(个人观点,供探讨):

  (1)技术:需要解决微流控芯片批量生产工艺(微加工、键合、表面修饰);
  重点是要解决芯片质控问题。

  (2)人才:急需多学科交叉人才、企业研发人员、专业化市场人员进行微流控芯片产品的开发及推广;国内芯片人才特别是在企业从事产品开发的芯片技术人员较为缺乏,专业的人做专业的事!这个很重要。

  (3)产品:急需具有“Killer Application”特征的微流控产品引领行业市场(产业界一致看好microfluidics-based POCT 系统);普遍认为poct最大市场是应用于医疗诊断行业,这个行业市场最为巨大毫无争议;或许在中国,食品安全、环境检测是否能够首先成为“中国特色”的killer application的一个案例,值得探讨?

  (4)资本:需要有长远目标的资本或金融机构的积极介入与扶持;个人认为,微流控芯片实验室已经到了产业化的前夕,希望有远见的企业家尽快介入到这一技术的发展过程中来,大家同舟共济,一起滚打几年,一起来改进技术,培育市场,共同发展。某种意义上说,这也是一种机会,等市场完全成熟了再介入进来可能就太晚了一些。

  (5)政策支持、强强合作:具有强大研发实力的企事业单位和丰富技术积累的科研院所鼎力合作)。

  未来展望

  未来十年、二十年内,微流控芯片注定成为一种被深度产业化的科学技术,世界范围内的微流控芯片的科学研究及产业竞争也将日趋激烈。中国被认为是在微流控芯片领域研究水平较高的国家之一,但国内的微流控芯片产业仍处于起步阶段,仅有为数不多的微流控产品面世,远落后于欧美等发达国家。尽管如此,我们欣喜地发现,近年来中国开始有越来越多的微流控技术专家、市场化专业人士,以及科研院校、企事业单位、投资机构,关注并投身于微流控芯片产业化。我们有理由相信,微流控芯片在中国的成功产业化值得期待。

  最后希望更多关注微流控芯片的人,更多地参与到这个领域来,共同努力!MicroChip,BigWorld!

  Q&A

  1. 叶博士您好,请问在POCT领域,微流控应用比较成熟的方向有哪些?上面看到雅培的血气分析仪,国内这方面有产品的,有哪些方向?领头的企业是?
  叶博士:目前,POCT,微流控芯片的主要应用主要是在体外诊断领域。理论上,传统的生化、免疫的POCT检测技术比较容易、也最可能在微流控芯片平台上实现。如前所述,微流控POCT领域的产业化是现在所有人最为关注的方向。也已经有不少的企业开始开展微流控POCT产品的开发。包括一些以微流控芯片为主要核心技术的生物企业,例如博奥生物、天津微纳芯等等;另外据我所知,很多的传统POCT,例如免疫层析试纸的企业,也都有在开展微流控芯片产品的研发。

  2. 叶博士您好,以安捷伦2100为例,虽然其目前作为微流控电泳已经比较成熟,但其耗材成本却远高于毛细管电泳,更高于传统手工电泳,这个问题您怎么看?
  叶博士:在微流控芯片电泳方面,Agilent 2100 生物分析仪已经取代了繁琐的凝胶电泳技术成为RNA 样品质量控制 (QC) 的行业标准。同时在 DNA 片段分析和蛋白样品 SDS-PAGE  分析中迅速取代凝胶电泳技术。由于国内产业化落后和技术垄断,目前国外的微流控产品的确在仪器和芯片价格上还很高,这与目前整个仪器分析领域的情况是一样的。希望未来在微流控芯片产业化方面,国内的企业能够开发生产更多国产化的、性价比高的微流控产品,从而解决这一成本问题。

  3. 叶博士您好,对微流控技术分离CTC细胞是否关注,能否帮我们做一个进展综述,谢谢!
  叶博士:在微流控芯片平台上进行CTC细胞的筛选和检测,是目前的一大研究热点。这个咱们可以线下进一步交流?

  4. 叶博士您好,Nanotube-based POCT与微流控是同一类技术吗,一个是纳米级的,一个是微米级的。
  叶博士:现在微流控领域有一个重要的发展方向,微纳流控,事实上,纳米级的通道中流体的运行与微米级结构中有相同的地方,也有许多截然不同的现象和原理。

  5. 叶博士您好,我认为微流控不可能完全取代传统大仪器。虽然优点多,但是因为小,质量控制就很难做。对加工人员要求高,后续仪器大,也都是瓶颈。除非现在的微流控摆脱目前材质的局限,而且真正出现一个killer应用,其它的仪器完全无法做或者做的效果很差
  叶博士:不同的分析技术各有优缺点,微流控芯片在分析领域作为“微全分析”的一种工具,在现场、快速、无需专业人员操作、低成本上,对比大型分析仪器,具有显著的优势,适合于现场快速筛查。目前的电子微加工工艺已经非常成熟,并且已经有成功的微流控芯片商业化的案例。只能说产业化的成功,不是简单依靠某一个工艺技术而实现。

  6. 叶博士您好,比如几十个微米级别的精细金属模具的加工能力,国内就跟不上。这方面国外就做得很成熟,但是价格很高。这是个空白,也是个商机。
  叶博士:非常赞同这个观点,微流控芯片是挑战,也是机遇。从我产品开发的经验上来讲,一个成功的微流控芯片产品,并非一定要追求“过分”的“微”而“全”,例如在食品安全,或者环境水检测,样本量一般不去考虑纳升或者微升;另外,一个好的产品,或许可以是解决某一方面的“痛点”,如执行客户操作最简便的芯片分析功能;实现这个产品目标,即使是“毫流控”也未尝不可,而并不一定要几微米或几十微米级别的芯片。

  来源:霆科生物、贝壳社 作者:叶嘉明

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