越來越多的3D打印技術(shù)正迅速進(jìn)入這一領(lǐng)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(shù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的芯片,制作時間很短,單元操作簡單,易學(xué)易用。 因此有可能成為現(xiàn)有芯片制作方法的重要補(bǔ)充甚至挑戰(zhàn),而被不同應(yīng)用領(lǐng)域,特別是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(yán)重影響加工精度,一旦精度要求偏高(例如,<10μm),工藝?yán)щy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(fù),一些重要參數(shù),諸如成本,材料,分辨率和速度等都可盡量優(yōu)化,以達(dá)到最佳結(jié)果。 現(xiàn)在已可在 3D 打印機(jī)上打印各種結(jié)構(gòu)而不增加制作的復(fù)雜性和時間,例如, Spivey 等已打印出一種有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu),通量很高,微米量級的微流控芯片,用于酵母的單細(xì)胞分析和抗衰老研究。

在基于微流控芯片的細(xì)胞-組織-器官研究領(lǐng)域,3D生物打印更需引起重視。 3D生物打印可為細(xì)胞 和生物材料設(shè)計(jì)特別的空間布局,重現(xiàn)復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。 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(xì)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(xì)胞微環(huán)境。 一般而言,常規(guī)的PDMS芯片不能形成復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)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(xì)胞在這種微通道內(nèi)培養(yǎng),進(jìn)而在體外形成 “ 血管”。 Bertassoni 等對細(xì)胞生存能力測定表明, 在體外通道內(nèi)培養(yǎng)的細(xì)胞比在普通水凝膠中培養(yǎng)的要好。 羅勇等用自行研發(fā)的生物相容性好,性狀穩(wěn)定的 3D 生物墨水,在自行改制的 3D 生物打印機(jī)上成功打 印出 Mcf-7 細(xì)胞,活性可達(dá) 85% ,為動物組織的打印創(chuàng)造了條件。 從現(xiàn)有的結(jié)果來看,生物打印的微芯片能創(chuàng)造更接近于體內(nèi)的微環(huán)境,有利于細(xì)胞的生存和分化。

微流控芯片相關(guān)產(chǎn)業(yè)的急劇增長已是不爭的事實(shí)。 Yole2015 年 9 月的報告指出, 2015 年微流控芯片產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值應(yīng)為 25. 6 億美元, 到 2020 年將會達(dá)到 59. 5 億美元, 年增長率為 18% ,主要增長點(diǎn)是 醫(yī)/ 藥學(xué)研究和即時診斷。 僅在液滴微流控芯片領(lǐng)域,已涌現(xiàn)出諸如從事基因測序樣本制備的 Illumina, 從事集成流路生產(chǎn)的 Fluidigm,生產(chǎn)數(shù)字 PCR 儀的 Rain Dance 和老牌的 Bio-Rad 等公司,其中有的已經(jīng)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(guī)模。 受精準(zhǔn)治療等概念的影響, 陸續(xù)出現(xiàn)了一批以即時診斷為主攻方向的小型公司,深圳微點(diǎn)生物技術(shù)股份有限公司近期已在新三板掛牌上市。 在原大連團(tuán)隊(duì)的成員中,已建立包括北京的百康芯生物在內(nèi)的多家公司,他們成功地實(shí)現(xiàn)了融資,并開始商品化生產(chǎn)。

近年來, POCT 技術(shù)一改其以發(fā)展中國家為主要對象的定位,開始向發(fā)達(dá)國家的正規(guī)醫(yī)院滲透。 德國萊比錫管理學(xué)院學(xué)術(shù)院長 Wilfried von Eiff 說, 他們曾隨機(jī)檢查了兩個基層醫(yī)院的檢驗(yàn)科使用 POCT 技術(shù)的結(jié)果, 并將其和中心實(shí)驗(yàn)室的相應(yīng)結(jié)果對比, 證明 POCT 技術(shù)能提高醫(yī)療質(zhì)量, 改善預(yù)后, 降低 醫(yī)療成本。 而在當(dāng)?shù)氐募本戎行? 他們更看到了因廣泛采用 POCT 技術(shù)而帶來的避免擁擠, 減少候疹時間, 降低費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn) 。 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(xì)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(shù)進(jìn)入一個 新的極有前景的應(yīng)用領(lǐng)域, 而 Illumina 則可進(jìn)一步推進(jìn)他們的下一代測序平臺。 Yole 期待在未來幾年 這一領(lǐng)域?qū)写蟮耐黄?/span>。

即使是在更晚形成的器官芯片領(lǐng)域,產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程也在迅速推進(jìn)。 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(yàn), 目前一個單元的價格是 $ 22000, 而做同樣的試驗(yàn),小鼠的價格為 $ 50000 ~ $ 1000000; Harvard 的 Emulate 公司在做肺芯片試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)如果在氣路中有細(xì)菌存在, 裝置就會發(fā)生像流感一樣的癥狀;Emulate 還在和 Sony Biosciences 合作, 研究生產(chǎn)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(gòu)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(xì)胞, 將其誘勸回它們的胚胎狀態(tài),然后再將它們發(fā)展成不同的組織或器官,并由此構(gòu)建“病人芯片”,因?yàn)樗械男酒鞴俣紒碜杂谕粋€病人, 因此有可能在芯片上做更為精準(zhǔn)的劑量和毒性試驗(yàn)。

總之,微流控芯片作為當(dāng)代極為重要的新興科學(xué)技術(shù)平臺和國家層面產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的潛在戰(zhàn)略領(lǐng)域,正 處于一個非常重要的發(fā)展階段,值得引起廣大學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界人士及青年學(xué)生的高度重視。

（文章節(jié)選自:微流控芯片的研究及產(chǎn)業(yè)化-林炳承 科學(xué)網(wǎng)科學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）