微流控芯片（mircrofluidic chip）即生物芯片，也被稱為芯片實驗室。微流控技術指在微米級微管中精確操縱微量流體的技術，能將樣品反應、制備、分離、檢測等生化實驗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、高效率等多種優勢。在生物醫學領域，可用于藥物合成分析、醫療體外診斷、仿生皮膚組織器官、單細胞分析、核酸分析、藥物篩選遞送等場景。


技術發展史


微流控芯片最早可溯源到20世紀50年代出現的間隔式連續流動技術（Segmented Continuous Flow Analysis，SCFA），該技術將分析化學實驗轉移到流體管道中進行。此后，兩位美國科學家于70年代提出了流動注射分析（Flow Injection Analysis，FIA）概念，讓分析系統實現微型化。1979年美國斯坦福大學在此基礎上制造出世界首個微流控設備，加速了該領域發展。1990年，兩位瑞士學者率先提出“微流控芯片技術”，并采用微機電加工技術在平板刻蝕微管道，研制出毛細管電泳微芯片分析裝置，自此開創了微流控芯片技術的先河。微流控的兩項主要應用為POCT和生物制藥科研（包括測序、基因組學和蛋白質組學）。根據Yole報告，2018年全球微流控產品市場規模達到87億美元，2019至2024年期間的復合年增長率可達11.7%，預計2024年將達到174億美元。同時，微流控設備的市場規模在2019~2024年，復合年增長率為10.8%。可以預見，微流控芯片技術將在生物醫藥的科研與實際應用中發揮巨大作用。


生物醫藥領域應用


藥物分析在藥物分析領域，微流控芯片能降低藥物分析成本，使藥物分析檢測的手段更為豐富，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微型化、快速化、樣品試劑消耗低等優點。在更復雜的多成分藥物分析中，通常會聯合在線富集技術以進一步提高檢測靈敏度。比如，Wu M等使用微流控芯片激光誘導熒光檢測器，使用場放大樣品堆積（FASS）和反向場堆積（RFS）的片上多重富集方法，同時分析卡那霉素、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用讓檢測靈敏度提高了近300倍，三種抗生素的檢測限可達0.20～0.80μg/L。實際上，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、藥代動力學分析等領域具有巨大應用價值。藥物篩選微流控芯片在藥物篩選領域，可分為分子、細胞和整體動物三個層次。在分子水平，美國Caliper Life Science（已被PerkinElmer收購）開發了EZ Reader生物芯片。LabChip®EZ Reader在聚丙烯微孔板中測定熒光標記的反應物，微流控芯片包括連接上游和下游電極的小通道，每次檢測時微量流體被“啜飲”到微孔板中。當反應物通過上述通道移動時，反應組分憑借其流動性差異被分離，其遷移率差異與被測組分的電荷/質量比有關，每個成分到達芯片上的檢測窗口時，儀器會記錄一個熒光峰（圖1）。以酶學檢測為例，應用EZ Reader芯片的實驗底物是帶有熒光標記的多肽，底物在反應體系中酶的作用下轉變為產物，其所帶的電荷也發生相應的變化，利用底物和產物所帶電荷的不同，將二者在芯片通道中進行分離，達到分別檢測的目的。EZ Reader芯片的拓展應用場景還包括激酶級聯反應、表觀遺傳學分析、激酶的酶譜分析、核酸/蛋白結合分析等生物分子學實驗。1661662851706320

圖1.EZ Reader芯片原理來源：PerkinElmer官網


在細胞水平的藥物篩選上，微流控芯片技術也獨占優勢。有研究者構建了一套用于細胞水平藥物篩選研究的集成化微流控芯片系統，芯片結構的主體部分是由8個金字塔形的濃度梯度生成器網絡結構圍繞一個公共的廢液池構成，該結構單次可產生64種藥物作用條件，并獲得192種細胞生物信號（圖2），極大提高了藥物篩選的效率。

圖2.細胞水平微流控藥物篩選芯片結構示意來源：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，由傳統連續微流控系統發展而來，其原理是利用互不相溶的水油兩液相產生分散的微液滴進行實驗操作。比如有研究人員利用液滴微流控技術建立藥物的遞送和釋放平臺，過程是將親水性抗癌藥物封裝在單獨分散的磷脂囊泡中，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），利用該技術還能開展癌細胞中藥物攝取、消逝與細胞毒性的評估實驗，由此篩選出最合適的藥物，實現藥物高效遞送。據報道，Pessi等人將液滴微流控技術應用在蛋白質藥物的治療上，借助W/O/W型雙乳液液滴，在內部相中裝1%的牛血清蛋白，外部用聚乙烯醇、聚已酸內酯和聚乙二醇包裹，形成直徑23-47um之間的分散粒子，藥效穩定性長達4周，能在168h內穩定釋放30%的牛血清蛋白（圖3B）。

圖3.液滴微流控應用于藥物遞送原理示意來源：分析化學評述與進展


從全球視野來看，國外微流控產品公司除了有Caliper Life Science，還有Cepheid、梅里埃旗下的Bio fire、Atlas Genetics、Abaxis以及國內的博暉創新、微納芯、微點生物、華邁興微、中新科炬等企業。鑒于微流控芯片技術在生物醫藥領域的廣泛應用價值，未來有望引領生命健康產業轉型升級，加速行業深度創新發展。