微流控芯片（mircrofluidic chip）即生物芯片，也被称为芯片实验室。微流控技术指在微米级微管中精确操纵微量流体的技术，能将样品反应、制备、分离、检测等生化实验的基本操作集成到很小的芯片上，具有高灵敏度、高集成、高通量、高效率等多种优势。在生物医学领域，可用于药物合成分析、医疗体外诊断、仿生皮肤组织器官、单细胞分析、核酸分析、药物筛选递送等场景。


技术发展史


微流控芯片最早可溯源到20世纪50年代出现的间隔式连续流动技术（Segmented Continuous Flow Analysis，SCFA），该技术将分析化学实验转移到流体管道中进行。此后，两位美国科学家于70年代提出了流动注射分析（Flow Injection Analysis，FIA）概念，让分析系统实现微型化。1979年美国斯坦福大学在此基础上制造出世界首个微流控设备，加速了该领域发展。1990年，两位瑞士学者率先提出“微流控芯片技术”，并采用微机电加工技术在平板刻蚀微管道，研制出毛细管电泳微芯片分析装置，自此开创了微流控芯片技术的先河。微流控的两项主要应用为POCT和生物制药科研（包括测序、基因组学和蛋白质组学）。根据Yole报告，2018年全球微流控产品市场规模达到87亿美元，2019至2024年期间的复合年增长率可达11.7%，预计2024年将达到174亿美元。同时，微流控设备的市场规模在2019~2024年，复合年增长率为10.8%。可以预见，微流控芯片技术将在生物医药的科研与实际应用中发挥巨大作用。


生物医药领域应用


药物分析在药物分析领域，微流控芯片能降低药物分析成本，使药物分析检测的手段更为丰富，也使药物分析更加微型化和集成化，满足药物分析的新场景要求。一般在单一主成分药物分析中，微流控芯片具有检测微型化、快速化、样品试剂消耗低等优点。在更复杂的多成分药物分析中，通常会联合在线富集技术以进一步提高检测灵敏度。比如，Wu M等使用微流控芯片激光诱导荧光检测器，使用场放大样品堆积（FASS）和反向场堆积（RFS）的片上多重富集方法，同时分析卡那霉素、万古霉素和庆大霉素的含量，这种与在线多重富集方法的联用让检测灵敏度提高了近300倍，三种抗生素的检测限可达0.20～0.80μg/L。实际上，微流控分析还在手性药物毒性分析、血液尿液等药物浓度分析、药代动力学分析等领域具有巨大应用价值。药物筛选微流控芯片在药物筛选领域，可分为分子、细胞和整体动物三个层次。在分子水平，美国Caliper Life Science（已被PerkinElmer收购）开发了EZ Reader生物芯片。LabChip®EZ Reader在聚丙烯微孔板中测定荧光标记的反应物，微流控芯片包括连接上游和下游电极的小通道，每次检测时微量流体被“啜饮”到微孔板中。当反应物通过上述通道移动时，反应组分凭借其流动性差异被分离，其迁移率差异与被测组分的电荷/质量比有关，每个成分到达芯片上的检测窗口时，仪器会记录一个荧光峰（图1）。以酶学检测为例，应用EZ Reader芯片的实验底物是带有荧光标记的多肽，底物在反应体系中酶的作用下转变为产物，其所带的电荷也发生相应的变化，利用底物和产物所带电荷的不同，将二者在芯片通道中进行分离，达到分别检测的目的。EZ Reader芯片的拓展应用场景还包括激酶级联反应、表观遗传学分析、激酶的酶谱分析、核酸/蛋白结合分析等生物分子学实验。1661662851706320

图1.EZ Reader芯片原理来源：PerkinElmer官网


在细胞水平的药物筛选上，微流控芯片技术也独占优势。有研究者构建了一套用于细胞水平药物筛选研究的集成化微流控芯片系统，芯片结构的主体部分是由8个金字塔形的浓度梯度生成器网络结构围绕一个公共的废液池构成，该结构单次可产生64种药物作用条件，并获得192种细胞生物信号（图2），极大提高了药物筛选的效率。

图2.细胞水平微流控药物筛选芯片结构示意来源：lab on a chip


药物递送液滴微流控是微流控芯片研究中的重要分支，由传统连续微流控系统发展而来，其原理是利用互不相溶的水油两液相产生分散的微液滴进行实验操作。比如有研究人员利用液滴微流控技术建立药物的递送和释放平台，过程是将亲水性抗癌药物封装在单独分散的磷脂囊泡中，形成W/O/W（水/油/水）型双乳液模型，液滴大小在50~200um之间，相比水溶药物具有更持久的释放药效作用（图3A），利用该技术还能开展癌细胞中药物摄取、消逝与细胞毒性的评估实验，由此筛选出最合适的药物，实现药物高效递送。据报道，Pessi等人将液滴微流控技术应用在蛋白质药物的治疗上，借助W/O/W型双乳液液滴，在内部相中装1%的牛血清蛋白，外部用聚乙烯醇、聚已酸内酯和聚乙二醇包裹，形成直径23-47um之间的分散粒子，药效稳定性长达4周，能在168h内稳定释放30%的牛血清蛋白（图3B）。

图3.液滴微流控应用于药物递送原理示意来源：分析化学评述与进展


从全球视野来看，国外微流控产品公司除了有Caliper Life Science，还有Cepheid、梅里埃旗下的Bio fire、Atlas Genetics、Abaxis以及国内的博晖创新、微纳芯、微点生物、华迈兴微、中新科炬等企业。鉴于微流控芯片技术在生物医药领域的广泛应用价值，未来有望引领生命健康产业转型升级，加速行业深度创新发展。