微流控（Microfluidics）是一種在亞微米尺度下精確控制微尺度的流體，將樣品的制備、反應(yīng)、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的技術(shù)，簡稱為芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-Chip)，這是一個(gè)集生命科學(xué)、化學(xué)分析、流體力學(xué)、光學(xué)、高分子材料、模具設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。由于微流體所需通道的微米級的結(jié)構(gòu)，最大的特點(diǎn)是檢測樣本體積少、試劑消耗及能耗低，生物化學(xué)反應(yīng)速度快、易于工業(yè)化擴(kuò)大生產(chǎn)及批間穩(wěn)定性好。

發(fā) 展 背 景

1965年，諾貝爾物理學(xué)獎?lì)C給了Pfeynman教授，微流控技術(shù)被Forbes評為影響人類未來的15件最重要的發(fā)明之一。微流控芯片早期是從MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技術(shù)發(fā)展而來，通過微加工工藝在硅、金屬、高分子聚合物、玻璃、石英等材質(zhì)的基片上，加工出微米至亞毫米級的流體通道、反應(yīng)或檢測腔室、過濾器或傳感器等各種微結(jié)構(gòu)單元，而后在微米尺度空間對流體進(jìn)行操控，配合流體控制或分析儀器自動完成生物實(shí)驗(yàn)室中的提取、擴(kuò)增、萃取、標(biāo)記、分離、分析，或者細(xì)胞的培養(yǎng)、處理、分選、裂解、分離分析等過程。FDA與Emulate, Inc. 簽訂了題為“可將Organs-on-Chips技術(shù)作為毒理學(xué)測試平臺，用于對影響人類的健康和安全的研究”的協(xié)議，這意味著，在美國，器官芯片對新藥篩選的結(jié)果的得到了FDA的承認(rèn)，也就是說在藥物篩選階段可以直接跳過活體動物這個(gè)環(huán)節(jié)，可直接在器官芯片上進(jìn)行，這一協(xié)議也充分說明了微流控芯片以后對世界的重大影響和戰(zhàn)略性意義。在2016年7月國家國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中，李克強(qiáng)總理明確提出“體外診斷產(chǎn)品要突破微流控芯片、單分子檢測等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)全自動核酸檢測系統(tǒng)等重大產(chǎn)品，研發(fā)一批重大疾病早期診斷和精確治療診斷試劑以及適合基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)的高精度診斷產(chǎn)品”。

發(fā) 展 前 景

微流控產(chǎn)業(yè)未來10年將出現(xiàn)加速增長的勢頭，尤其是在循環(huán)腫瘤細(xì)胞和液體活檢中DNA的中的樣品制備和分離，免疫層析，化學(xué)發(fā)光以及分子診斷等領(lǐng)域。同時(shí)，器官芯片能為藥物試驗(yàn)和篩選提供更豐富的預(yù)測模型，將有潛力成為數(shù)十億美元的市場。

在產(chǎn)業(yè)化中，微流控一般分為以下幾大類型：毛細(xì)張力自驅(qū)動微流控，壓力推動式微流控，離心力推動式微流控，液滴微流控，紙質(zhì)微流控等。

01

微流控與POCT

即時(shí)檢測（point-of-care testing, POCT）以實(shí)現(xiàn)便捷的現(xiàn)場即時(shí)醫(yī)學(xué)檢測為主要思想，旨在借助一體化檢測器或便攜式儀器，縮減樣本運(yùn)輸管理成本，降低檢測等待時(shí)間，緩解臨床應(yīng)用對高端儀器的依賴。20世紀(jì)90年代初提出的微流控芯片（microfluidicchip）技術(shù)依托現(xiàn)代微加工工藝，可實(shí)現(xiàn)采樣、稀釋、加試劑、分離、檢測等實(shí)驗(yàn)流程和生化反應(yīng)在單片平板芯片上的集成，其可滿足從生物小分子到細(xì)胞的不同尺度對象檢測需求，并可通過在后端耦合光、電、熱等形式的檢測器和讀數(shù)裝置，實(shí)現(xiàn)檢測流程的自動化和檢測結(jié)果的信息化。微流控芯片微型化、集成化、自動化的特性，高度切合POCT檢測技術(shù)的發(fā)展需求，對優(yōu)化臨床檢測具有重要意義，近年來已日趨成為POCT領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和核心技術(shù)。

（1）i-STAT血?dú)夥治鰞x，主要檢測血?dú)?，生化，凝血以及新加入的心肌?biāo)志物模塊。

特點(diǎn)：

就地檢測——檢驗(yàn)實(shí)施地點(diǎn)無嚴(yán)格要求。

操作簡單——操作人可為臨床醫(yī)護(hù)，也可為專業(yè)檢驗(yàn)人員。

檢測多項(xiàng)——測試卡種類齊全，可檢測血?dú)狻⑸?、電解質(zhì)、血凝及心肌標(biāo)志物，可根據(jù)臨床不同科室需求選擇。

無需維護(hù)——一次性電極，減少維護(hù)成本（人力、物力及財(cái)力），更不會因蛋白漂移而導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確。

樣本量少——僅需95μl，特別適用于新生兒科。

（2）Triage系統(tǒng)是比較成功的免疫層析POCT商業(yè)產(chǎn)品，該系統(tǒng)可直接通過全血高效檢測急性心肌梗塞相關(guān)標(biāo)志物。該系統(tǒng)采用聚合物微流控通道代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硝酸纖維膜，使得液體遷移的重復(fù)性和穩(wěn)定性都得到了極大的提高。系統(tǒng)特點(diǎn)：通過在流體通道中設(shè)計(jì)一些正六邊形的微柱結(jié)構(gòu)，以增加流體的表面張力，從而使得液體的毛細(xì)作用力驅(qū)動液體向前流動，液體通道材料表面的疏水性修飾可以控制樣品的流速。熒光染料替代傳統(tǒng)的膠體金作為標(biāo)記物，這種熒光染料的激發(fā)光波長在700nm左右，能明顯提高檢測過程中的信噪比。

Triage儀器和檢測芯片外觀

芯片區(qū)域反應(yīng)原理

液體微通道中微柱結(jié)構(gòu)示意圖

02

微流控與器官芯片

新藥在上市前需要進(jìn)行大量的藥代動力學(xué)、毒性和活性評價(jià)等臨床前藥物篩選過程，傳統(tǒng)的方法則以動物試驗(yàn)為主。然而，動物試驗(yàn)周期長、耗費(fèi)巨大，同時(shí)存在倫理糾紛。尤其是動物和人類的代謝系統(tǒng)有著很大差異，把動物身上得到的結(jié)果直接用于人體存在很大風(fēng)險(xiǎn)。因此，動物試驗(yàn)過程的種種弊端已成為當(dāng)今全球范圍內(nèi)影響藥物研究和開發(fā)的主要瓶頸?；谖⒘骺卦黹_發(fā)的器官芯片能同時(shí)測定藥物的吸收、分布、代謝、消除等藥代動力學(xué)參數(shù)，并能進(jìn)行藥物的抗腫瘤和肝毒性評價(jià)，初步具備了試驗(yàn)用動物的功能。同時(shí)，該芯片由數(shù)個(gè)基本模塊依次由上而下連接構(gòu)成，可靈活組合、規(guī)模集成，并根據(jù)實(shí)際需要，任意更換其中的細(xì)胞和組織種類以及模塊的疊放順序，從而朝最終取代臨床前動物試驗(yàn)邁出了重要一步。

人肝-腎聯(lián)合器官芯片示意圖Schematic diagram of the integrated liver-kidney chip

器官芯片之肺部芯片（Lung-on-a-chip）

結(jié)語：

微流控技術(shù)作為一種新型技術(shù)，隨著其產(chǎn)業(yè)鏈的日趨成熟，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，相信在不久的將來，必將推動人類生命健康領(lǐng)域的發(fā)展。

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