微流控芯片（mircrofluidic chip）即生物芯片，也被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室。微流控技術(shù)指在微米級(jí)微管中精確操縱微量流體的技術(shù)，能將樣品反應(yīng)、制備、分離、檢測(cè)等生化實(shí)驗(yàn)的基本操作集成到很小的芯片上，具有高靈敏度、高集成、高通量、高效率等多種優(yōu)勢(shì)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于藥物合成分析、醫(yī)療體外診斷、仿生皮膚組織器官、單細(xì)胞分析、核酸分析、藥物篩選遞送等場(chǎng)景。

技術(shù)發(fā)展史

微流控芯片最早可溯源到20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的間隔式連續(xù)流動(dòng)技術(shù)（Segmented Continuous Flow Analysis，SCFA），該技術(shù)將分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)移到流體管道中進(jìn)行。此后，兩位美國(guó)科學(xué)家于70年代提出了流動(dòng)注射分析（Flow Injection Analysis，F(xiàn)IA）概念，讓分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微型化。1979年美國(guó)斯坦福大學(xué)在此基礎(chǔ)上制造出世界首個(gè)微流控設(shè)備，加速了該領(lǐng)域發(fā)展。1990年，兩位瑞士學(xué)者率先提出“微流控芯片技術(shù)”，并采用微機(jī)電加工技術(shù)在平板刻蝕微管道，研制出毛細(xì)管電泳微芯片分析裝置，自此開創(chuàng)了微流控芯片技術(shù)的先河。微流控的兩項(xiàng)主要應(yīng)用為POCT和生物制藥科研（包括測(cè)序、基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)）。根據(jù)Yole報(bào)告，2018年全球微流控產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到87億美元，2019至2024年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率可達(dá)11.7%，預(yù)計(jì)2024年將達(dá)到174億美元。同時(shí)，微流控設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模在2019~2024年，復(fù)合年增長(zhǎng)率為10.8%。可以預(yù)見，微流控芯片技術(shù)將在生物醫(yī)藥的科研與實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮巨大作用。

生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用

藥物分析在藥物分析領(lǐng)域，微流控芯片能降低藥物分析成本，使藥物分析檢測(cè)的手段更為豐富，也使藥物分析更加微型化和集成化，滿足藥物分析的新場(chǎng)景要求。一般在單一主成分藥物分析中，微流控芯片具有檢測(cè)微型化、快速化、樣品試劑消耗低等優(yōu)點(diǎn)。在更復(fù)雜的多成分藥物分析中，通常會(huì)聯(lián)合在線富集技術(shù)以進(jìn)一步提高檢測(cè)靈敏度。比如，Wu M等使用微流控芯片激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器，使用場(chǎng)放大樣品堆積（FASS）和反向場(chǎng)堆積（RFS）的片上多重富集方法，同時(shí)分析卡那霉素、萬古霉素和慶大霉素的含量，這種與在線多重富集方法的聯(lián)用讓檢測(cè)靈敏度提高了近300倍，三種抗生素的檢測(cè)限可達(dá)0.20～0.80μg/L。實(shí)際上，微流控分析還在手性藥物毒性分析、血液尿液等藥物濃度分析、藥代動(dòng)力學(xué)分析等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用價(jià)值。藥物篩選微流控芯片在藥物篩選領(lǐng)域，可分為分子、細(xì)胞和整體動(dòng)物三個(gè)層次。在分子水平，美國(guó)Caliper Life Science（已被PerkinElmer收購(gòu)）開發(fā)了EZ Reader生物芯片。LabChip®EZ Reader在聚丙烯微孔板中測(cè)定熒光標(biāo)記的反應(yīng)物，微流控芯片包括連接上游和下游電極的小通道，每次檢測(cè)時(shí)微量流體被“啜飲”到微孔板中。當(dāng)反應(yīng)物通過上述通道移動(dòng)時(shí)，反應(yīng)組分憑借其流動(dòng)性差異被分離，其遷移率差異與被測(cè)組分的電荷/質(zhì)量比有關(guān)，每個(gè)成分到達(dá)芯片上的檢測(cè)窗口時(shí)，儀器會(huì)記錄一個(gè)熒光峰（圖1）。以酶學(xué)檢測(cè)為例，應(yīng)用EZ Reader芯片的實(shí)驗(yàn)底物是帶有熒光標(biāo)記的多肽，底物在反應(yīng)體系中酶的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，其所帶的電荷也發(fā)生相應(yīng)的變化，利用底物和產(chǎn)物所帶電荷的不同，將二者在芯片通道中進(jìn)行分離，達(dá)到分別檢測(cè)的目的。EZ Reader芯片的拓展應(yīng)用場(chǎng)景還包括激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)、表觀遺傳學(xué)分析、激酶的酶譜分析、核酸/蛋白結(jié)合分析等生物分子學(xué)實(shí)驗(yàn)。1661662851706320

圖1.EZ Reader芯片原理來源：PerkinElmer官網(wǎng)

在細(xì)胞水平的藥物篩選上，微流控芯片技術(shù)也獨(dú)占優(yōu)勢(shì)。有研究者構(gòu)建了一套用于細(xì)胞水平藥物篩選研究的集成化微流控芯片系統(tǒng)，芯片結(jié)構(gòu)的主體部分是由8個(gè)金字塔形的濃度梯度生成器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圍繞一個(gè)公共的廢液池構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)單次可產(chǎn)生64種藥物作用條件，并獲得192種細(xì)胞生物信號(hào)（圖2），極大提高了藥物篩選的效率。

圖2.細(xì)胞水平微流控藥物篩選芯片結(jié)構(gòu)示意來源：lab on a chip

藥物遞送液滴微流控是微流控芯片研究中的重要分支，由傳統(tǒng)連續(xù)微流控系統(tǒng)發(fā)展而來，其原理是利用互不相溶的水油兩液相產(chǎn)生分散的微液滴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。比如有研究人員利用液滴微流控技術(shù)建立藥物的遞送和釋放平臺(tái)，過程是將親水性抗癌藥物封裝在單獨(dú)分散的磷脂囊泡中，形成W/O/W（水/油/水）型雙乳液模型，液滴大小在50~200um之間，相比水溶藥物具有更持久的釋放藥效作用（圖3A），利用該技術(shù)還能開展癌細(xì)胞中藥物攝取、消逝與細(xì)胞毒性的評(píng)估實(shí)驗(yàn)，由此篩選出最合適的藥物，實(shí)現(xiàn)藥物高效遞送。據(jù)報(bào)道，Pessi等人將液滴微流控技術(shù)應(yīng)用在蛋白質(zhì)藥物的治療上，借助W/O/W型雙乳液液滴，在內(nèi)部相中裝1%的牛血清蛋白，外部用聚乙烯醇、聚已酸內(nèi)酯和聚乙二醇包裹，形成直徑23-47um之間的分散粒子，藥效穩(wěn)定性長(zhǎng)達(dá)4周，能在168h內(nèi)穩(wěn)定釋放30%的牛血清蛋白（圖3B）。

圖3.液滴微流控應(yīng)用于藥物遞送原理示意來源：分析化學(xué)評(píng)述與進(jìn)展

從全球視野來看，國(guó)外微流控產(chǎn)品公司除了有Caliper Life Science，還有Cepheid、梅里埃旗下的Bio fire、Atlas Genetics、Abaxis以及國(guó)內(nèi)的博暉創(chuàng)新、微納芯、微點(diǎn)生物、華邁興微、中新科炬等企業(yè)。鑒于微流控芯片技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用價(jià)值，未來有望引領(lǐng)生命健康產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，加速行業(yè)深度創(chuàng)新發(fā)展。