芯片上的实验室:微流控芯片 大家
丁显廷
上海交通大学生物医学工程学院特聘教授,国际合作交流处副处长
众所周知,药物在上市前的临床试验过程中,按传统主要依赖动物模型完成大量的毒性、动力学及药效评价。由于动物模型存在种属差异性、伦理问题及冗长的实验周期等问题,建立一种快速、高通量、自动化以及规避种属差异的新型药物筛选平台已经成为目前全球药物研发的燃眉之急。
近来,人们已经逐渐意识到了微流控器官芯片,尤其是整合多个器官的模仿人体代谢途径的微流控多器官芯片,能够补充动物实验对于医学研究的价值:从基础生物学研究到药物开发和测试,微流控多器官芯片通过模拟人体微环境,结合细胞培养技术培养健康或患病的人体细胞或组织来补充动物实验,验证药效和毒性,从而缩短临床试验的漫长周期。
什么是微流控芯片呢?微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术,是科学和工程领域最酷的技术之一,它在生物、化学工程和医学检测领域的最前沿技术发展中发挥着重要作用。
目前,主流形式的微流控芯片是指把化学和生物等领域中涉及的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米甚至更小的芯片上,由微通道形成网络,以可控流体贯穿整个系统,用以实现常规化学、生物、材料、光学等不同实验室的各种功能的一种技术。
2017年,科技部将微流控芯片定位为一种“颠覆性技术”,而微流控芯片中的重要分支——器官芯片——则被世界经济论坛评为2016年世界“十大新兴技术”之一。
由于具有成本更低、性能更好、资源占用更少和安全性更强的优势,微流控芯片在日常生活中的应用非常广泛:在微电子领域,手机和电脑中有非常多微小的芯片;在机械系统领域,不管是电动汽车还是油车,里边都有非常多的芯片;在生物化学领域,化学检测以及化学物质的传感均需要芯片;在医学领域,如人造植入式耳蜗、心脏起搏器等都有非常多的芯片。
芯片的微型化不仅带来了更安全和更环保的好处,还引领了集成化和系统化的工业革命。在这场工业革命中,我们不可避免地要提到其核心技术,我们把它叫作光刻蚀工艺,或者叫作光刻技术。光刻技术是一种用于微小尺度刻蚀的重要工艺。
下文介绍了微流控芯片的加工与制备,优势和挑战,以及微流控芯片在现实生活和工作中的应用。
微流控芯片的加工与制备 我们为什么一定要鼓励把芯片做到更小,做到更微型,做到更集成呢?这是因为微型化的芯片有很多优势,包括成本更低、性能更好、更节约、更安全以及更环保等。在这样的背景下,微纳加工学科(micromachining)应运而生,即利用类似集成电路和计算机芯片的工艺,将大型芯片逐渐变小,这个学科所用到的一些底层的技术和原理与集成电路和计算机的芯片是非常相似的,都是把大型芯片逐渐变小的一种工艺。在这个工艺背后形成的各种各样的物理、化学、材料、生物等方面的知识统筹在一块儿,形成了一个新的交叉学科,我们把它叫作微纳加工学科。 在微纳加工学科的引导下,在同样的单位面积或者单位空间上,能够高密度集成更多的芯片,使它的系统变得更智能、更集成、更具功能,这可能会引领下一代工业革命,即集成化和系统化的新工业革命。 在系统集成的过程中产生了一个新的名词,即微机电系统(MEMS),或者叫微机械、微系统。就是在一个非常小的空间上能高密度地集成很多的芯片,使其具有一定的电学性能和机械性,从而变成一个具有复杂功能的系统。MEMS是一门综合学科,学科交叉现象极其明显,主要涉及微加工技术、机械学/固体声波理论、热流理论、电子学、生物学等等。MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米(头发的直径大约是50微米)。 体积如此小且功能高度集成的装置是如何制造出来的呢?MEMS的制造广泛借鉴了集成电路中的光刻、刻蚀以及镀膜等工艺。光刻是整个微加工工艺中技术难度最大,也是最为关键的技术步骤。光刻技术是一种利用光进行微小尺度刻蚀的工艺。它涉及光敏感材料、掩模板和曝光系统。 光刻胶是一种光敏感材料,经曝光后可以被刻蚀,因此也称为光致抗蚀剂,受到光照后特性会发生改变,是微电子技术中微细图形加工的关键材料之一,主要应用于电子工业和印刷工业。光刻胶有正胶和负胶之分:正胶经过曝光后,受到光照的部分变得容易溶解,经过显影后被溶解,只留下未受光照的部分形成图形;而负胶却恰恰相反,经过曝光后,受到光照的部分会变得不易溶解,经过显影后留下光照部分形成图形。掩模板上有图案,通过光透过后将图案转移到光刻胶上。曝光系统用于提供各种光强和波长的光。光刻工艺是较难攻克的技术之一,包括光刻胶工艺、掩模板加工工艺和曝光系统工艺。 光刻工艺催生了一个大家经常听到概念——摩尔定律。摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18~24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18~24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。尽管这种趋势已经持续超过半个世纪,摩尔定律仍被认为是观测或推测,而不是一个物理或自然法。摩尔定律表明了集成系统越来越小,性能越来越高的趋势。MEMS则可以通过光刻技术实现性能提升。如前所述,微芯片在许多领域有重要应用,如人工授精技术、微型齿轮加工技术等。那么我们可能要问,芯片变小能做什么?下面就是几个典型的MEMS应用。
1)微镊子:这是一个MEMS领域的经典应用,可以用于精确操作细胞,提高细胞活性。在现实生活中,我们可以通过人工授精技术来提高精子活性,提高辅助生殖过程的准确率和成功率。
2)微齿轮:微型齿轮加工技术使得机械部件更小、更轻便,从而降低能耗。
3)微机器人:微机器人驱动技术通过电压控制材料形状的变化,微小移动机器人,实现机器人爬行和驱动,这些技术的应用与创新为相关领域作出了重要贡献。
4)微针:通过微针技术,可以制作细针密布的微针创可贴,避免粗针注射的痛苦。此外,微针也可以作为传感器,实时监测身体性能指标,提供补水和休息的提示,微针系统在治疗和检测方面具有广泛的应用前景。
5)仿生传感器:通过仿造蒲公英的系统,在检测大气物质和进行胃肠镜检查方面具有很大的优势。这个小系统可以实现无线传输信号和拍照,使人类作业更加方便和安全。
微流控芯片加工的优势和挑战 从大到小的尺度变化带来了集成性能、成本和加工时间的优势,同时还可以使系统更便携,功耗变得更小,并满足批量生产要求。但在芯片从大到小的加工过程中会面临多种技术挑战,包括材料光学、机械力学、化学、流体学、温度控制、电学和磁学等方面的一系列的不同。这种物理、化学、生物性质的不同,只是我们的直觉,不能够直接照搬到这个微小的世界中。这里我们着重讨论在机械力学、生物学、物理学和流体学这四个方面,从大到小过程当中会发生一些什么样的改变。机械力学
当世界坍塌到原来的1/10时,两个物体之间的吸引力是如何变化的?通过分析万有引力定律和尺寸效应的关系,可以得出结论:吸引力会正比于尺寸效应的4次方。当尺寸缩小1/10,相互的吸引力会迅速变得不重要。昆虫可以举起比自己重十倍的物体,而人类却不能。这些现象都是由于尺寸效应引起的,说明尺寸效应非常重要。在芯片设计过程中,宏观经验不适用于微观尺度,需要从头积累。不同尺度的理化性质会改变,难以用宏观直觉和常识进行设计。通过了解体积力、面力和线性力的变化规律,可以帮助设计师在微观芯片中进行分离和设计。在微小尺度上,面力成为主导力,而体积力的效应可以忽略。因此,设计师需要考虑储存效应和相对重要性的变化,以适应设计思路和理念。生物学
当世界坍塌到原来的1/10时,代谢速度是如何变化的?这涉及生物学中代谢速率与尺寸效应的关系。能量代谢率与热量损失速率相关,而能量耗散与面积相关,因此代谢速率与尺寸效应的2次方相关,质量与尺寸效应的3次方相关。克莱伯定律(Klieber's Law)证明了生物体的代谢速率和质量呈正比。因此,代谢速率随着动物尺寸的增大而增加,随着尺寸的减小而降低。物理学
在物理学中,小物体受到表面张力的影响更大,而大物体则更容易沉入水中。了解尺寸效应可以帮助我们理解水上漂现象和缩放的小人国世界。流体学
流体力学也是日常生活中重要的力学分支,涉及游泳、飞行等与流体相关的活动。雷诺数是流体力学中一个重要的物理量,它由液体的密度、速度、尺寸和黏滞系数组成。雷诺数大于4000的流体系统称为湍流系统,而小于2000的流体系统称为微观流体或层面流行。湍流系统会产生涡流,而微观流体中的流体混合会变得困难。这样的一种从宏观到微观的流体力学的改变,会给我们带来什么样的好处呢?微流控芯片就是利用层流流体的性质,实现了精准的控制和预测流体走向。通过微流控芯片进行药物组合的筛选实验,可以更方便、准确地进行药物效果评估,提高细胞利用效率,解决传统实验面临的麻烦和限制。微流控芯片就是利用了微观流体特性集成的芯片系统,是微流控技术实现的主要平台,也被称为生物芯片、芯片实验室。其装置特征主要是容纳流体的有效结构(通道、反应室和其他某些功能部件)至少在一个维度上为微米级尺度。由于微米级的结构,流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能,因此也发展出了独特的分析性能:
其具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十上百倍地提高等特点,可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析,并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。
微流控技术是微流控芯片的关键技术,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。从微流控芯片的分析性能看,其未来的应用领域将十分广泛,并且仍在不断拓展之中,但目前的重点显然是在生物医学领域,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。除此之外,高通量药物合成与筛选、环境监测、食品卫生、刑事科学及国防等方面也会成为重要的应用领域。现仅就微流控芯片在生物医学领域的应用举三个例子来阐明微流控芯片的巨大潜力。组合药物的筛选
微流控芯片可以实现药物的混合和稀释,形成浓度梯度。通过在芯片中放置病人自己的细胞,可以快速筛选出有效的药物组合。实验结果可以通过观察细胞存活情况来判断,从而确定最佳的药物配比。这种组合药物的筛选方法具有重要意义,为肿瘤治疗提供了新的思路。循环肿瘤细胞
微流控技术在筛查循环肿瘤细胞方面具有简便、精准的优势。通过微流系统中的牵引力和离心力作用,不同类型的细胞可以分开,从而实现对循环肿瘤细胞的计数。人体器官芯片
微流控技术还可以模拟人体的循环系统,通过集成不同类型的细胞,在人体芯片中研究器官功能和药物作用。2010年,哈佛大学唐纳德·因格贝尔(Donald Ingber)等在《科学》(Science)杂志上发表的肺器官芯片是一种具有代表性的器官芯片。人体器官芯片可能让我们摆脱动物实验的伦理困扰。虽然目前器官芯片的有效性和功能在取代真实器官方面还存在挑战,但国内外的学者正在努力。人体器官很复杂,由多种细胞类型和三维结构组成,因此模拟真实器官是很大的难题。引入三维微流控系统和打印技术可能有助于解决这一问题。虽然现在还无法取代真实器官,但未来令人充满信心。
结 语 总的来说,微流控芯片是一种通过微流控技术实现对微小体积流体精确操控的微型芯片。它具有体积小、成本低、实验周期短、操作简便等特点,可广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全等领域。比如,微流体芯片技术可以在复杂系统中培养不同类型的细胞,形成多细胞群体,有望取代活体动物实验;通过体外模拟个性化的疾病模型,可以进行个体化的药物筛选等。随着技术的发展,微流控芯片将越来越多地应用于各个领域,并实现更高的集成化和智能化水平。然而不可否认的是,在将芯片应用于临床前,还需要克服芯片加工中物理学、机械力学、流体学和生物学等方面挑战。未来十年、二十年内,微流控芯片注定成为一种被深度产业化的科学技术,世界范围内微流控芯片的科学研究及产业竞争也将日趋激烈。
中国被认为是在微流控芯片领域研究水平较高的国家之一,但国内的微流控芯片产业仍处于起步阶段,仅有为数不多的微流控产品面世,远落后于欧美等发达国家。尽管如此,我们也欣喜地发现,近年来中国开始有越来越多的微流控技术专家、市场化专业人士,以及科研院校、企事业单位、投资机构关注并投身于微流控芯片产业化。我们有理由相信,微流控芯片在中国将成功产业化。
-本文根据笔者在上海市科学技术普及志愿者协会主办的“海上科普讲坛”上的报告撰写而成,刊载在《世界科学》杂志2024年7月期“大家·科技前沿“栏目-
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把实验室微缩成小小一张芯片,微点生物如何利用微流控技术把检测带到患者身边?
IVD是医疗领域里非常特殊的行业,它并非单纯由某一个学科构建,而是综合了化学、生物学、计算机、光学、物理、工程学等多个学科。对于大多数创业公司而言,这个领域不好啃。因为创业公司很难在一开始就聚集起如此全面的核心技术团队。
这里也是医疗创业失败的多发地带,如果没有在技术和产品上取得突破,创业公司的生存期很难长久,能取得的市场也很小。“IVD创业的门槛挺高的。”微点生物创始人严萍宜这样告诉动脉网。
严萍宜的经历颇为传奇,他先后参与创立了迈瑞、雷杜生命科学等成功的企业,微点生物正是他创立的第三家公司。
自研究生毕业后,严萍宜一直活跃在医疗设备领域。2006年的一个夏天,他在硅谷遇到了现在的合伙人张囡,这为微点生物的创立埋下了伏笔。
张囡是MEMS领域的专家,她是手机麦克风MEMS芯片的多项专利发明人,参与设计了手机麦克风的MEMS芯片。严萍宜遇到她的时候,张囡刚刚把这项设计卖掉。
“当时国内的技术开发做的不错,但创新能力相对要弱一点,大家都在做Me-too、Me-better。”严萍宜回忆到。他告诉张囡 ,他们可以把半导体技术和生物技术结合起来,换个方向做进一步创新工作。这个新的方向自然是严萍宜熟悉的医疗设备领域,当时国内企业都还在做跟随创新的工作。
随后加入的还有公司现在的COO黄海涛博士。黄博士是电化学领域的专家,在加入微点之前在世界500强公司3M做技术研发。巧合的是,在沃顿商学院读完MBA后,黄博士在正有意识的寻找具有创新能力的创业公司,希望能够加入。
3M的总部设在美国明尼苏达,他早前便在机缘巧合下认识了同在明尼苏达的张囡,黄博士也就顺理成章的加入了刚刚成立的微点生物。
看准老龄化趋势,瞄准心脑血管疾病赛道
基于团队的特点,他们确定了微流控技术赛道,MEMS的一个分支。所谓微流控芯片,简单的说就是把现实生活中的实验室缩小到很小的尺寸,在芯片上进行生化反应。
“它的优势就是样本的用量少,检测速度快,并且可以做到非常精准的定量结果。”严萍宜介绍到,“实际上就是把现实生活的实验室设备微型化。”
这些特点使得微流控技术在急症等特殊应用的检测上有着重要价值,如心梗、脑卒中、急性传染病等。在当今世界的许多地区人口老龄化成为大趋势,而对老龄化社会而言,心脑血管疾病、糖尿病都是多发症。
“基于技术特点和社会环境,我们认为这是一个发展重点。当时把力量聚焦在了这个点上。”他回忆到。
撞上金融风暴,如何逆境中崛起
2006年,严萍宜和张囡正在进行公司成立的筹备工作,他们并不知道在几个月后,一场席卷全球的金融海啸即将袭来。
2007年,微点生物正式注册成立,他们在中美两地同步运营,在硅谷设立的研发中心保证了项目顺利进行。但这也使得公司运营的成本增加,他们在美国雇佣了很多科学家和研究人员,使得公司的资金压力非常大。
而这个时候,金融危机已经开始失控,中国医疗风投刚刚起步,整个资本环境并不乐观。所幸,在医疗领域多年的创业经验让严萍宜积攒了不少人脉,公司在2009年拿到了深创投的A轮融资。而在这之前,他估摸自己大概见了几十位投资人。
“能投医疗的都见了,我们算拿到投资比较早的。”严萍宜告诉动脉网。
而在技术突破上,团队的经历也是一波三折。“我们做的是完全创新的东西,没有任何可以参考的。”他继续说道。尽管回过头来看,很多技术的障碍好比是一层窗户纸,捅破了一切问题都迎刃而解。但在前无古人的情况下,他们不知道从何下手。“花了很多时间,也走了不少弯路。”他补充道。
两个平台10余款产品,目前已实现扭亏为盈
2014年,微点生物第一个产品获得CFDA审批后上市。在这之后,他们陆续把心脑血管诊断标志物做全。如今,除了心血管的产品线以外,公司还开发出了一系列感染检测和宠物兽用检测产品。
截止到2017年,公司电化学和光免疫两个平台产品种类超过了10个。根据公司财报显示,公司2017年实现营收1.15亿元,同比增长41.29%。2018年第一季度,公司实现营收4308.54万元,同比增长82.36%,归母净利为107.27万元,扭亏为盈。
摩尔定律,预计产能将突破千万
英特尔创始人之一戈登·摩尔曾提出:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。这个由计算机领域提出的摩尔定律在半导体芯片制造业中似乎同样适用。
2017年,微点生物全年产能达到了300万片,这些是公司首次将产能扩充到百万级别。“这个量级的蛋白质芯片制造规模,在全球也是领先的。”严萍宜告诉动脉网。
在技术实现充分商业化之后,性能和制造规模的提升、成本的降低成为企业普遍的追求,这对于微点生物而言也不例外。据透露,2018年公司预计产能将达到千万级。
IVD赛道将呈哑铃式结构,家庭设备可完善慢病管理闭环
当谈及中国IVD领域未来的发展方向时,严萍宜告诉动脉网:“IVD的发展将成一个哑铃型,一端通向中心实验室,另一端通向患者。”
由于NGS、质谱仪、微流控芯片等新技术逐渐成为实现精准医疗的有力工具,医疗行业对其的需求程度将越来越高。但这些技术是不太适合医院本身来运营和使用的,因为其对技术人员和设备投入的要求比较高。“放在医院里是很难达到最充分效益的。”他如是说道。
因此,他认为,这些设备更多会进入到第三方实验室里面,使得第三方实验室的规模越来越大,自动化程度也将进一步提高。
而另一面,由于人们主动参与治疗的意识越来越强,疾病院外管理的份量越来越重,通向患者端的设备将越来越小型化,越来越靠近患者。
“前些年大家觉得移动医疗是一个风口,但这个风口热了一阵子就停下来了。”他告诉动脉网,“究其原因,当时的移动医疗的概念还是太轻,大多是轻问诊。”
严萍宜认为,缺乏有效的诊断工具,是制约移动医疗发展的原因之一。如果能通过技术手段把以往只有在医院才能做的检测带到家里、带到患者身边,移动医疗和慢病管理才能全面。
“只有设备足够靠近患者,才能实现疾病的早期诊断和预防,在最短的时间把疾病解决掉。”他补充道。
无疑,微点生物属于后者。他们将于2019年正式推出了第二代产品,应用场景也从原来的急诊科、ICU病房和检验科延伸到了专科和全科医生、患者身边,把医院才能进行的检测带入家中。
据悉,公司正在积极准备新一代产品的注册审批。
合作Bio-Techne,开启肿瘤免疫新方向
2018年10月,微点生物与位于明尼苏达的纳斯达克上市公司Bio-Techne签订了战略合作协议,双方将基于微流控技术推进中国精准医疗发展。
Bio-Techne一直是免疫学领域的领头羊,保持着业内各种检测金标准的头衔,同时凭借先进细胞诊断和外泌体诊断的品牌,成为分子诊断解决方案的领导企业。
此次合作,也使得微点生物向肿瘤免疫检测迈出了第一步。
“此次合作也开启了我们业务的一个新方向。大家在谈精准医疗的时候,很多人误以为只有NGS。”严萍宜告诉动脉网。
在严萍宜的认知里,精准医疗主要有两个部分构成,即精准诊断和精准治疗。而生物技术的突破则是精准医疗的起点。
新的技术突破开拓了很多新的治疗方向,如靶向治疗、免疫治疗、细胞治疗等。但这些新的治疗方案并非对所有人都适用,所以新的治疗方案诞生后往往需要相应的伴随诊断技术。
“这些新的治疗方案都很贵,而且不是每个人都有效的。”严萍宜告诉动脉网,“因此在治疗前必须进行筛查。”但即便患者能够产生应答,在治疗过程中也极有可能出现不同程度的副反应。
人体的免疫系统非常复杂,当外界因素改变免疫系统的时候,人体自身也会产生各种各样的反应。这其中,最常见的就是细胞因子风暴,该反应可能会引发一系列的炎症,对人体造成伤害。
“这些伤害是非常迅速的,几个小时之内就可能达到不可控的程度。”严萍宜向动脉网透露。而这种情况,需要长时间测序、分析的NGS技术并不太实用。“时间就是生命,NGS技术根本来不及。”他补充道。
在这种情况下,患者需要快速且精度高的检测技术,及时的找出问题所在。如此,医学专家才能及时进行干预,把细胞因子风暴压下去。无疑,微流控是合适的解决方案之一。
“NGS技术对实验室和研究人员的要求比较高,但大型设备和复杂的分析系统很难在医院应用起来。我们开发的产品就是要把这些设备做成临床版本。”严萍宜表示。对医院而言,他们更需要操作简单,能够快速出结果的产品。
根据协议,微点生物和Bio-Techne Corporation作为微流控领域的两家领先高新技术企业,通过联合研发等方式进行优势互补,带动Bio-Techne的Ella微流控系统在该领域的创新应用和设备的国产化。
“Bio-Techne在细胞因子伴随诊断上有非常多的经验,我们则在微流控芯片规模制造方面领先。这次合作实际上是把两家的优势结合起来。”严萍宜对此表示。
据了解,Ella微流控系统已经在美国上市,每年大约要检测十几万名患者。接下来,微点生物将尽快推动产品在中国地区的审批,让产品尽快进入市场。
“在那之前,我们会和临床机构和第三方实验室开展合作。”他继续说道,“药物上市后伴随诊断产品还没出来,这样的精准医疗是不完善的。”
接下来,微点生物将一面联合Bio-Techne推进Ella微流控系统在中国落地,另一面也将推进自己的下一代生物标志物诊断技术走入家庭。而在此基础上,原有产品的性能升级和产能提升也将同步进行。
“同时,我们还希望寻找更多的领先技术公司合作,在精准医疗赛道上进行早期布局和卡位。”严萍宜表示。
* 文中图片由受访企业提供。
文 | 周梦亚
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