微流控芯片產業化研究
越來越多的3D打印技術正迅速進入這一領域研究人員的視野,成為廣義微流控芯片的重要組成部分。
3D打印技術至少會在兩個方面對微流控芯片造成影響,一是芯片制備,二是生物打印。
一般 3D 打印已有能力制造出有很高分辨率, 結構復雜的芯片,制作時間很短,單元操作簡單,易學易用。 因此有可能成為現有芯片制作方法的重要補充甚至挑戰,而被不同應用領域,特別是生物醫學領域的研究人員所接受。 目前通用的芯片制作過程涉及到涂膠、曝光、顯影、腐蝕、去膠、等離子體清洗和封接等步驟,耗時過長,其中若干步驟還需要人工操作,嚴重影響加工精度,一旦精度要求偏高(例如,<10μm),工藝困難加劇,成本驟增。 在很多情況下, 如用 3D 打印制作,時間可大大縮短,芯片會高度重復,一些重要參數,諸如成本,材料,分辨率和速度等都可盡量優化,以達到最佳結果。 現在已可在 3D 打印機上打印各種結構而不增加制作的復雜性和時間,例如, Spivey 等已打印出一種有復雜幾何結構,通量很高,微米量級的微流控芯片,用于酵母的單細胞分析和抗衰老研究。
在基于微流控芯片的細胞-組織-器官研究領域,3D生物打印更需引起重視。 3D生物打印可為細胞 和生物材料設計特別的空間布局,重現復雜的細胞結構。 用生物 3D 打印能為客戶定制用于組織再生的支架或者把生物材料(如 DNA, 細胞)圖案化 ,特別是,它還可用不同的打印頭打印不同的材料, 比如不同的細胞微環境。 一般而言,常規的PDMS芯片不能形成復雜幾何結構的器官芯片,但3D 生物打印可用全功能水凝膠打印出微通道,讓細胞在這種微通道內培養,進而在體外形成 “ 血管”。 Bertassoni 等對細胞生存能力測定表明, 在體外通道內培養的細胞比在普通水凝膠中培養的要好。 羅勇等用自行研發的生物相容性好,性狀穩定的 3D 生物墨水,在自行改制的 3D 生物打印機上成功打 印出 Mcf-7 細胞,活性可達 85% ,為動物組織的打印創造了條件。 從現有的結果來看,生物打印的微芯片能創造更接近于體內的微環境,有利于細胞的生存和分化。
微流控芯片相關產業的急劇增長已是不爭的事實。 Yole2015 年 9 月的報告指出, 2015 年微流控芯片產業的產值應為 25. 6 億美元, 到 2020 年將會達到 59. 5 億美元, 年增長率為 18% ,主要增長點是 醫/ 藥學研究和即時診斷。 僅在液滴微流控芯片領域,已涌現出諸如從事基因測序樣本制備的 Illumina, 從事集成流路生產的 Fluidigm,生產數字 PCR 儀的 Rain Dance 和老牌的 Bio-Rad 等公司,其中有的已經上市。 中國也已有很多微流控芯片公司面世,雖然大都還處于小微規模。 受精準治療等概念的影響, 陸續出現了一批以即時診斷為主攻方向的小型公司,深圳微點生物技術股份有限公司近期已在新三板掛牌上市。 在原大連團隊的成員中,已建立包括北京的百康芯生物在內的多家公司,他們成功地實現了融資,并開始商品化生產。
近年來, POCT 技術一改其以發展中國家為主要對象的定位,開始向發達國家的正規醫院滲透。 德國萊比錫管理學院學術院長 Wilfried von Eiff 說, 他們曾隨機檢查了兩個基層醫院的檢驗科使用 POCT 技術的結果, 并將其和中心實驗室的相應結果對比, 證明 POCT 技術能提高醫療質量, 改善預后, 降低 醫療成本。 而在當地的急救中心, 他們更看到了因廣泛采用 POCT 技術而帶來的避免擁擠, 減少候疹時間, 降低費用等優點 。 最近, 兩個體外診斷的重要公司 Bio-Rad 和 Illumina 宣布合作, 共同尋求單細胞基因組測序的全面解決方案, 一個雙贏的合作使 Bio-Rad 能重新使用他們的液滴技術進入一個 新的極有前景的應用領域, 而 Illumina 則可進一步推進他們的下一代測序平臺。 Yole 期待在未來幾年 這一領域將會有大的突破。
即使是在更晚形成的器官芯片領域,產業化的進程也在迅速推進。 Oxford 的 CN Bio 公司用裝有 12 個微型肝臟的芯片做藥物的毒性試驗, 目前一個單元的價格是 $ 22000, 而做同樣的試驗,小鼠的價格為 $ 50000 ~ $ 1000000; Harvard 的 Emulate 公司在做肺芯片試驗,發現如果在氣路中有細菌存在, 裝置就會發生像流感一樣的癥狀;Emulate 還在和 Sony Biosciences 合作, 研究生產器官芯片“光盤”, 讓 一個光盤代表一個器官, 再把所有的 15 個光盤連起來, 構成一個“人體芯片”;Berkeley 的 Kevin Healy 等在做心臟芯片, 他們和 Emulate 公司一樣,采用病人的成人多功能干細胞, 將其誘勸回它們的胚胎狀態,然后再將它們發展成不同的組織或器官,并由此構建“病人芯片”,因為所有的芯片器官都來自于同一個病人, 因此有可能在芯片上做更為精準的劑量和毒性試驗。
總之,微流控芯片作為當代極為重要的新興科學技術平臺和國家層面產業轉型的潛在戰略領域,正 處于一個非常重要的發展階段,值得引起廣大學術界和產業界人士及青年學生的高度重視。
（文章節選自:微流控芯片的研究及產業化-林炳承 轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除）