近日，麥吉爾大學(xué)David Juncker等人報道了一種芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以輕松通過3D打印制造出來，并且只需要一部智能手機(jī)，用作光電探測器。該設(shè)備和手機(jī)一起可以檢測人類唾液中的一系列生物靶點(diǎn)，包括冠狀病毒SARS-CoV-2。成果發(fā)表在Nature上。
圖|芯片上的“微流控鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”
一些背景
第一個芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)建于1970年代。它是一種氣相色譜分析儀，一種通過汽化分離化合物的裝置，由硅制成，采用微電子行業(yè)開發(fā)的制造技術(shù)。然而，盡管此類技術(shù)提供了令人印象深刻的精度，但使用微細(xì)加工方法構(gòu)建芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)仍存在許多后勤問題。特別是，通過這種方法生產(chǎn)的設(shè)備通常由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，這種材料可滲透水，從而產(chǎn)生流體浸出和蒸發(fā)等問題。芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的組件通常也需要多種精密制造工藝，這限制了制造的可擴(kuò)展性。
3D打印芯片
因此，人們的注意力正轉(zhuǎn)向測試使用激光燒蝕和2D或3D打印技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)原型。該課題組利用3D打印技術(shù)構(gòu)建了他們的芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。這為構(gòu)建低成本設(shè)備提供了藍(lán)圖，這些設(shè)備需要最少的制造技能，并且可以結(jié)合流體流動等功能。
該設(shè)備包括微米級通道網(wǎng)絡(luò)和儲液庫，可用于操縱含有試劑的液體，從而控制生物反應(yīng)。該系統(tǒng)促進(jìn)了“微流體鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（MCR）”，使用類似多米諾骨牌的閥門來控制從一系列容器中釋放試劑。只有當(dāng)鏈條中的前一個儲液庫已經(jīng)排空時，才會打開下一個儲液庫。通過這種方式，該設(shè)備能夠控制化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的傳播。
巧用毛細(xì)管效應(yīng)而免去龐大的泵送系統(tǒng)
為了做到這一點(diǎn)，他們利用了毛細(xì)管效應(yīng)，這種現(xiàn)象發(fā)生在固體和液體之間的界面上的分子間粘附力與液體中的內(nèi)聚力競爭時。植物利用這種機(jī)制將水吸入根部，微流控平臺可以利用同樣的原理，通過改變通道表面的有效“潤濕性”來控制流體的流動。研究人員設(shè)計了一個系統(tǒng)，其中感興趣的流體的表面相互作用可以在3D打印通道中控制。他們通過仔細(xì)考慮材料的表面特性和通道幾何結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的流量控制。
使用毛細(xì)管效應(yīng)的主要優(yōu)點(diǎn)是它不需要龐大的流體泵送系統(tǒng)。毛細(xì)管微流體組件根據(jù)預(yù)期的操作（例如，裝載、保持、混合和排放液體）實(shí)現(xiàn)不同的功能，以形成完全集成和可擴(kuò)展的毛細(xì)管電路，毛細(xì)管電路的設(shè)計基于構(gòu)建模塊庫，包括毛細(xì)管泵、流阻和多種類型的毛細(xì)管閥，因此類似于微電子集成電路。例如，流動速度與電阻相當(dāng)，因?yàn)榱鲃幼枇Φ脑黾訙p緩了流體的遷移。如果阻力增加超過閾值，則可以將流體固定在通道結(jié)構(gòu)內(nèi)。
圖|MCR 用于在毛細(xì)管電路中連續(xù)輸送試劑
具有可操控性和不引入氣泡
該研究的一個令人印象深刻的方面是開發(fā)可用于操縱流動、控制遷移速度以及停止和重新啟動流動的配置。該設(shè)備還可以在不引入氣泡的情況下將多個流匯集在一起，其中，產(chǎn)生氣泡是目前任何微流體系統(tǒng)的弊端。
可排出通道液體
也許更重要的是，這些配置可用于從充滿的通道中排出液體。這種能力可以說是顛覆了現(xiàn)在的技術(shù)，因?yàn)榍宄龔?fù)雜的微通道流體網(wǎng)絡(luò)絕非易事。該設(shè)備的演示為精確控制反應(yīng)過程中使用的流體體積鋪平了道路，使此類微流控系統(tǒng)易于使用，并最大限度地減少昂貴試劑的浪費(fèi)。
圖|電路分析和實(shí)驗(yàn)確定 MCR 的操作窗口
肉眼或用手機(jī)讀出
該團(tuán)隊(duì)將其設(shè)備用于SARS-CoV-2抗體的唾液測試。該測試可能用于檢測感染、評估患者的預(yù)后以及區(qū)分接種疫苗的個體和通過感染獲得抗體的個體。結(jié)果可以直接通過肉眼讀出，也可以用智能手機(jī)進(jìn)行量化，智能手機(jī)配有一個簡單的紙板附件，用于阻擋環(huán)境光線。作者還表明，該芯片可用于測試血漿的凝固，從而評估一個人的血栓形成風(fēng)險。
圖|唾液中的大規(guī)模 MCR 和 COVID-19 血清學(xué)檢測
圖|通過連續(xù)分析血漿子樣本實(shí)現(xiàn)自動凝血酶生成分析（血栓芯片）
小結(jié)
綜上，微流體鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在中尺度引入了確定性、模塊化和可編程的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并通過控制液壓和氣動流量和連接性，構(gòu)成了自主、可編程液體操作和算法的新概念。微流體鏈?zhǔn)椒磻?yīng)將中尺度鏈?zhǔn)椒磻?yīng)作為一種節(jié)儉、集成、可擴(kuò)展和可編程的過程，為集成的芯片實(shí)驗(yàn)室提供動力。
該研究為困擾微流體系統(tǒng)的幾個長期存在的“實(shí)驗(yàn)室中的芯片”問題提供了強(qiáng)有力的解決方案，而且它以令人印象深刻的方式解決了這一問題。作者的設(shè)備有可能取代當(dāng)前便攜式診斷系統(tǒng)的“王者”，即橫向流動測試，因?yàn)樗且粋€更復(fù)雜的平臺，可以產(chǎn)生定量而不是純粹的定性診斷結(jié)果。
這項(xiàng)研究能否成為在家中進(jìn)行定量和臨床有用的診斷的里程碑篇章？只有時間會證明一切，但鑒于在新冠大流行之后無處不在的家庭診斷，這是朝著這一目標(biāo)邁出的令人興奮的一步。
參考文獻(xiàn)：
1. Yafia, M., Ymbern,O., Olanrewaju, A.O. et al. Microfluidic chain reaction of structurallyprogrammed capillary flow events. Nature 605, 464–469 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04683-4
2. A lab-on-a-chip that takes the chip out of the lab. Nature 605, 429-430 (2022)
https://doi.org/10.1038/d41586-022-01299-6
