微流控芯片下一場(chǎng)生物醫(yī)療”革命“

 應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，微流體在近幾年也迅猛的發(fā)展。微流體是具有微尺度(幾十到幾百微米)集成通道系統(tǒng)的科學(xué)和技術(shù)。在其中，微量的液體(通常為10-9至10-18升)在系統(tǒng)的控制下進(jìn)行特定模式的流動(dòng)。聽(tīng)著如此黑科技的微流體的發(fā)展其實(shí)可以追溯到數(shù)十年前，生物化學(xué)分析的微量化和平面化要求是微流體發(fā)展很好的推動(dòng)力。自那時(shí)起，“芯片實(shí)驗(yàn)室”和微尺度全面分析系統(tǒng)(μTAS)的概念就被逐步建立了起來(lái)。

在微流體的世界中，隨著流體尺寸的縮小，其比表面積逐漸增加，這就使得其呈現(xiàn)和宏觀流體不同的特性。總結(jié)起來(lái)，微流體主要有三個(gè)特點(diǎn)：高效質(zhì)量傳熱，粘性對(duì)慣性力的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，以及顯著的表面效應(yīng)。除此之外，高集成度的微流體系統(tǒng)有助于多個(gè)流體相的共存，并發(fā)生多樣的相互作用。這些特征使得使用小型化設(shè)備控制和操縱單個(gè)流體以及流體界面成為可能，也使得微流體在包括物理，化學(xué)，生物，醫(yī)藥，以及工程的多個(gè)領(lǐng)域受到追捧。

今天，小編在這里想要和大家重點(diǎn)討論一下微流體技術(shù)對(duì)于生物化學(xué)的革命性影響。微流體在生物化學(xué)領(lǐng)域的影響可謂十分廣泛，其涉足了酶分析，DNA分析(例如聚合酶鏈反應(yīng)和高通量測(cè)序)，以及蛋白質(zhì)組學(xué)分析等多個(gè)方面。微流體生物芯片的基本思想是將檢測(cè)操作，樣品預(yù)處理，以及樣品的制備整合到一個(gè)芯片上，使其具有高通量的特性。這樣的生物芯片也可以在臨床病理學(xué)，特別是疾病的直接診斷中，起到重要的作用。此外，基于微流體的設(shè)備，比如能對(duì)空氣或水樣進(jìn)行連續(xù)采樣，以及實(shí)時(shí)檢測(cè)的設(shè)備，可以用于生物化學(xué)毒素以及致病微生物的檢測(cè)。除了上述的檢測(cè)手段以外，微流控技術(shù)已經(jīng)為生物學(xué)家提供了強(qiáng)大的工具來(lái)研究和控制完整的細(xì)胞環(huán)境，在細(xì)胞生長(zhǎng)，衰老等多個(gè)方面成為了促進(jìn)新發(fā)現(xiàn)的“神助攻”。下面，我們就來(lái)舉幾個(gè)具體的例子，看看微流體是怎么履行自己的職責(zé)的。

在生物分析方面，微流體在離子，小分子，生物大分子，如核酸和蛋白質(zhì)，的檢測(cè)方面都能發(fā)光發(fā)熱，也為此引發(fā)了很多標(biāo)準(zhǔn)生物分子技術(shù)的革命。其為聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)，逆轉(zhuǎn)錄PCR(RT-PCR)，酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定(ELISA)等提供了全新的技術(shù)平臺(tái)。此外，液滴微流體，微流體的一種，已經(jīng)能夠成功地進(jìn)行細(xì)胞水平的分析，很多經(jīng)典的細(xì)胞操作都可以在微液滴中進(jìn)行。

以往提到化學(xué)反應(yīng)，眼前浮現(xiàn)的就是那些怎么刷也刷不干凈的瓶瓶罐罐。但是現(xiàn)在，微流控的液滴就能作為一個(gè)小型的化學(xué)反應(yīng)器存在，并且研究人員能做到對(duì)其環(huán)境的精確控制。其已經(jīng)被應(yīng)用到多種反應(yīng)中去了，包括滴定，沉淀，水解等等。抗凝血藥物阿加曲班的液滴微流體平臺(tái)就是一個(gè)極好的例子。其使得研究人員能夠在一個(gè)芯片上面，通過(guò)部分促凝血酶原激酶活化時(shí)間來(lái)測(cè)量凝血時(shí)間，并借此確定阿加曲班的適當(dāng)劑量。除了水相的反應(yīng)，液滴微流體也支持有機(jī)相的反應(yīng)。但是，此時(shí)，制造儀器所用的材料就需要精挑細(xì)選了，免得有機(jī)溶劑的腐蝕造成通道的變形。硫羥基聚合物就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，其具有比PDMS材料更強(qiáng)的有機(jī)穩(wěn)定性。

當(dāng)然，除了小分子，利用微流體進(jìn)行生物大分子的分析也是不在話下?，F(xiàn)在的微流體技術(shù)已經(jīng)被比較成熟地運(yùn)用于DNA，RNA，以及蛋白質(zhì)的分析領(lǐng)域，其甚至可以幫助蛋白質(zhì)的結(jié)晶。

除了分子層面的分析，微流體也可以幫助研究人員直接進(jìn)行細(xì)胞層面的操作。細(xì)胞包埋，組織培養(yǎng)，細(xì)胞凍存，復(fù)蘇，裂解等等都已經(jīng)是家常便飯，不足掛齒。讓小編大開(kāi)眼界的是，微流體甚至可以幫助細(xì)胞的基因傳遞。

基因傳遞是將外源基因引入宿主細(xì)胞的常用手段，其能夠調(diào)節(jié)宿主基因的表達(dá)，甚至能夠作為基因治療的主要步驟?；騻鬟f可以分為轉(zhuǎn)染，轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)三類。研究人員曾經(jīng)報(bào)導(dǎo)，利用質(zhì)粒將增強(qiáng)型綠色熒光蛋白(EGFP)DNA轉(zhuǎn)染進(jìn)入中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢(CHO)細(xì)胞。其利用電穿孔在微流體液滴上打孔，破壞細(xì)胞膜，并引入質(zhì)粒DNA。首先，研究人員將細(xì)胞和質(zhì)粒DNA封裝進(jìn)入絕緣油滴中的導(dǎo)電緩沖液液滴中。而后，液滴通過(guò)兩個(gè)微電極，電極之間施加電壓，并將細(xì)胞穿孔。后續(xù)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)也證明了細(xì)胞中確實(shí)出現(xiàn)了EGFP的信號(hào)，證明細(xì)胞轉(zhuǎn)染成功。

除了細(xì)胞的轉(zhuǎn)染，細(xì)菌的轉(zhuǎn)化也是微流體大展身手的領(lǐng)域。研究人員曾經(jīng)利用微流控液滴達(dá)成了大腸桿菌的熱休克轉(zhuǎn)化。含有大腸桿菌和質(zhì)粒DNA混合物的液滴在冰浴PDMS通道中產(chǎn)生。而后研究人員將液滴收集到玻璃毛細(xì)管中，之后玻璃毛細(xì)管被放置在42℃的循環(huán)溫水中，熱休克轉(zhuǎn)化就此發(fā)生。研究人員表示，轉(zhuǎn)化效率和傳統(tǒng)途徑相當(dāng)。

噬菌體對(duì)于宿主大腸桿菌的侵染也可以通過(guò)微流體來(lái)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)適合進(jìn)行噬菌體文庫(kù)侵染大腸桿菌后的表型觀察實(shí)驗(yàn)。

由于近幾年越來(lái)越深入的理論研究和技術(shù)創(chuàng)新，微流體被應(yīng)用到了極其廣泛的領(lǐng)域，包括物理，化學(xué)，生物，醫(yī)療和工程，其運(yùn)用價(jià)值也日益得到肯定。 盡管已經(jīng)有了這么多令人興奮和引人注目的發(fā)展，但是我們?cè)谖⒘黧w領(lǐng)域仍然面臨著挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在理論研究概念和解決現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題的實(shí)際技術(shù)之間的轉(zhuǎn)化。因此，在未來(lái)，我們?nèi)匀粦?yīng)該將精力放在基礎(chǔ)研究上面，推動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展，但是同時(shí)也要注重微流體技術(shù)的運(yùn)用，尤其是在高通量領(lǐng)域的運(yùn)用。發(fā)現(xiàn)發(fā)展新的材料，幫助微流體領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。在這些方面，中國(guó)的研究人員們也已經(jīng)做出了很多優(yōu)秀的貢獻(xiàn)。