顛覆傳統診斷！微流控系統的應用前景盤點

從血細胞中分離循環腫瘤細胞的「聲鉗」

什麼是微流體？

在生物、化學、材料等科學實驗中，經常需要對流體進行操作，如樣品DNA的製備、液相色譜、PCR反應、電泳檢測等操作都是在液相環境中進行。因此，顧名思義，「微流體」即指實驗所用的數量級從毫升、微升級降至納升或皮升級的流體。

微流體概念自從20世紀80年代（1980s）被提出以後，就已經在物理、化學、生物化學、納米技術以及生物技術等多學科工程產生巨大影響，且將在生物醫學的領域繼續擴大範圍和下游相關的應用程序。例如，多路復用、自動化和高通量篩選等生物醫學和研究應用過程。

什麼是微流控晶元？

微流體依賴於約束在某種類型的小型設備（small-scale device）上精確液體的控制和操縱。如果要將樣品製備、生化反應、結果檢測等步驟集成到生物晶元上，這時功能強大的微流體裝置就顯得必不可少了。

該設備被稱為「微流控晶元」，是利用常規的平面加工工藝（光刻、腐蝕等）在硅、玻璃上製作的，或是在有機材料上印製、成型出微結構的「軟光刻」微加工方法而成。

微流控分析晶元最初在美國被稱為「晶元實驗室」（lab-on-a-chip），在歐洲被稱為「微整合分析晶元」（micrototal analytical systems），它是微流控技術（Microfluidics）實現的主要平台，可以把生物、化學、醫學分析過程的樣品製備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的晶元上，自動完成分析全過程。在「微流控晶元」系統上，有著體積輕巧、使用樣品及試劑量少，且反應速度快、可大量平行處理及可即用即棄等優點。

微流控技術的一些比較知名的應用包括：噴墨列印頭（inkjet printheads）、晶元實驗室系統（lab-on-a-chip systems）、毒素或病原體的生物感測器（biosensors）。

7月11日-12日，微流控技術的發展和應用論壇在費城（Philadelphia）召開，GEN期刊採訪了數位研究不同種類技術微流控技術的專家。

1）「聲鉗」微流體，CTC分離和檢測的「好幫手」

來自賓夕法尼亞州立大學教授Tony Jun Huang發明了一種叫做「聲鉗」的裝置（見文章首圖），是利用超聲波在特定的容器或反應腔內對目標樣品（生物粒子或細胞等）進行分離、捕獲等操縱的技術。

Huang教授表示，微聲的流體系統功率強度和頻率保持在生物相容的範圍內。從本質上講，聲學處理過程不改變細胞的屬性。聲光射流的能量密度用於超聲成像對妊娠試驗非常相似，這已被證明是絕對安全的。

事實上，這種技術是如此的生物溫和，可以用來轉移蛋白質、高分子量DNA和活細胞，且具有無損傷或損失的可行性。這使得它適合於各種各樣的應用，包括蛋白質組學和基於細胞的檢測。「聲鉗」微流體（Acousto fluidics）能夠在一個手機大小的廉價設備上提供高精度、高通量、高效的細胞/顆粒/流體操縱。

Huang教授開發的這款裝置的重要下游應用之一是對腫瘤患者體內的循環腫瘤細胞（CTC）的分離和檢測。在他看來，這種技術非常適合於需要進行基因型分析的稀有細胞的分離和檢測。

2）

雙毛細管微流體

David Juncker博士是麥克吉爾大學生物醫學工程系的助理教授，他主要專註於雙毛細管微流體的研究。他開發的於雙毛細管微流體可用於免疫測定和細菌檢測快速成型。尤其是，他將毛細管流驅動系統使用的親水性材料（主要是硅晶元）與蝕刻微通道的設計控制流程形成的複雜電路，能夠引入更加複雜的流體功能。

雙毛細管微流體的下游應用包括尿路感染心臟病和細菌檢測免疫（UTI）。根據David Juncker介紹，在UTI中大腸桿菌細菌試驗只需要大約七分鐘，遠低於與傳統的數小時甚至一天的培養與測定時間。

他將其細菌快速檢測過程中的3D列印稱作「學生的變革」，因為只需半小時到1小時的時間，即可快速設計和合成所需原型。因此，學生使用起來很上手，儘管這種過程會遇到複雜電路的設計障礙。他的團隊結合了生物材料、能量和流體流動的專業知識以及免疫學和微生物學的生物學方面的知識。

Juncker教授和他的同事們還是發表論文的多產者，自2013以來，在眾多期刊中發表了超過21篇發表的論文。他們還計劃向前邁進，讓DNA測試作為其研究的另一個應用。

3）

紙基微流控晶元

科羅拉多州大學Henry Group 項目的領銜者、化學教授Charles Henry博士表示：紙基微流控紙晶元(paper-based microfluidic analytical devices，μPADs)是一種新興的微流控分析技術平台，具有成本低、加工簡易、使用和攜帶方便等優點，在臨床診斷、食品質量控制和環境監測等應用領域具有很大的應用前景。它用紙張作為基底替代硅、玻璃、高聚物等材料，這種分析器件被稱為紙上微型實驗室，也稱微流控紙分析器件。

在Henry教授看來，紙基微流控晶元在臨床診斷上的應用集中在肽核酸的比色檢測中，使用紙基微流控晶元的檢測速度遠高於細菌和病毒檢測。此外，他們實驗室基於「紙基微流控晶元」開發了一種環境中PM2.5暴露情況的診斷。

4）

液滴微流控系統

液滴微流控系統（Droplet microfluidics，也稱「微流控液滴」）是微流控晶元領域的一個新的分支，可被廣泛應用於液滴微反應器、藥物輸運和釋放、單細胞包裹分析、基於液滴的數字化PCR、組織工程、診斷成像等，微液滴技術在商業上應用最為成功的例子要數噴墨印表機，可以極大減少用墨量的同時提高了列印的質量。

來自加拿大滑鐵盧大學（University of Waterloo）機械與機電工程系晶元實驗室技術主任Carolyn Ren教授表示，她的實驗室評估了氣-液系統，以及依賴於兩種不混溶液體的系統。結果表示：液滴生成基本的轉運、捕捉和分類現象，以不同的幾何形狀的生成物理模型和液滴分選區。

在她進行的試驗中，與傳統的板式法相比，其設計的液滴微流控系統的容量是前者的1/1000。該技術平台可應用於藥物篩選，DNA檢測和蛋白質的結晶等其他應用。當然，這項技術也採用了電感測機制，如電容和微波感測。

後記：

微流體生物晶元目前受到極大的重視。微流體晶元，又被稱為「晶元實驗室」（Lab-on-a-chip）。生物晶元更被視為是後基因時代（Post-Genome Era）用來解讀基因序列之重要工具。

微流控系統可對微量流體（包括液體和氣體）進行複雜、精確的操作，如：混合和分離微量流體、化學反應、微量分析等等。微流體晶元還可以在稀有細胞的篩選、信息核糖核酸的提取和純化、基因測序、單細胞分析、蛋白質結晶等方面發揮獨特的作用。

由於微流體生物晶元具有體積輕巧、使用樣品/試劑量少、反應速度快、大量平行處理及可拋棄式等優點，因此在生物技術研究上的應用範圍非常廣泛。

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