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微纳技术“走进”生命科学,带来疾病诊断治疗新突破

Publish:2017-11-22 17:16:00

微纳技术指与特征尺度在微米和纳米范围上的结构和器件相关的技术,这些肉眼看不见的结构和器件在现代前沿科技中无处不在(如图1中所示)。日常生活中离不开的手机就是微纳技术的集大成者,从液晶或OLED平板显示屏,闪存等内部电子芯片,到陀螺仪等微机电传感器(MEMS),高密度印刷电路板(PCB)等,它们的生产与制造都必须依赖微纳加工技术。


图1. 微米和纳米结构、器件与应用

       我系程鑫课题组研究方向主攻微纳加工技术,其中包括超高精度(亚5纳米)表面图形化技术、适用于产业化的大面积低成本纳米加工技术、微纳3D打印技术等。课题组同时开发微纳加工在半导体器件、纳米光学、生物医学工程等多个领域中的应用。近年来,课题组特别在微流控芯片领域开展了大量创新性研究工作,并取得了一系列成果,相关技术已申请中国和PCT专利,部分技术已获美国、中国发明专利授权。

在微观世界里进行各种“加工”

       纳结构的加工通常采用微电子工艺中的微纳制造技术,从大的结构或材料出发,“自上而下”(top down)地逐渐产生更加微小的图案。比如平板显示技术中的像素点通常在几十到几百微米的范围;智能手机中感知方向的微机电陀螺仪特征尺寸在几十到几百微米的范围;DVD,Blue-Ray等表面信息存储单元尺寸通常在几百个纳米左右;而最新的CPU和DRAM芯片中,最小尺度在十到二十纳米之间。

       除传统电子信息行业,因人体细胞或DNA、蛋白质分子的大小就在微米或纳米区间,微纳加工技术被越来越广泛地应用到生命科学研究和生物医学工程研究中。比如现代基因测序得益于微纳加工技术,测序分析的速度和通量得到成千上万倍的提高,使得快速和低成本的基因测序成为可能。随着生命科学单细胞或单分子层面的研究越来越多,微纳加工将在最前沿的生命科学研究中发挥不可替代的重要作用。

小小芯片上实现常规化学或生物实验室功能

       2017年5月,国家科技部发布《“十三五”生物技术创新专项规划》,加快推进生物技术与生物技术产业发展。《规划》提到,要重视发展蛋白质测序技术、新型质谱和微流控芯片技术;发展单细胞分离、基因组扩增、转录组扩增和单细胞基因组分析技术等一系列生物技术领域技术的发展。微流控芯片技术应用广泛,未来在推动以上领域的研究中,具有重要意义。

       微流控芯片技术(Lab on a chip)是一种以微机电技术为基础,以微流道网络为结构特征,辅助以微泵、微阀等微流控功能单元,通过对微流体的操纵和控制,目标是把化学和生物等领域中所涉及的采样、稀释、进样、反应、分离、检测等基本操作单元集成到很小的芯片上,实现常规化学或生物实验室的功能。

       由于微流控芯片可将多种单元技术在整体可控的微小平台上进行灵活组合及规模集成,它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预处理及分析全过程,从而实现高度集成化和自动化。微流控芯片有着体积轻巧、使用样品及试剂量少、反应速度快、高通量平行处理、应用成本低等优点,近年来已经发展成为一个跨生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等多学科的新研究领域。

芯片上单细胞“捕捉配对”研究细胞-细胞相互作用

       细胞是生命体的基本形态结构和功能单位,生物的生殖发育、遗传、神经活动、疾病等重大生命现象的研究都要以细胞为基础。传统的细胞分析得到的往往是大量细胞的平均结果,忽视或掩盖了单细胞间的个体差异。单细胞水平的研究能得到更加丰富准确的信息,众多研究成果显示单细胞水平的分析对于分子生物学和代谢组学的研究意义重大。单细胞分析对于疾病的诊断和治疗也具有十分重要的意义。

       程鑫课题组建立了实现高通量的单细胞捕捉和配对的介电电泳(dielectrophoresis, DEP)微流控芯片平台(图2)。DEP芯片系统可以根据不同的功能需求进行“定制化”的设计以及利用微纳加工进行制备。在单细胞捕捉和配对的操控中,DEP芯片通过改变施加电压的频率等条件, 能够控制细胞受正介电电泳力作用向高电场或者受负介电电泳力作用向低电场运动, 从而将群细胞分离,并将不同种类的单细胞配对到微腔阵列中,实现高通量单细胞的捕捉和配对。目前已经实现了高达80%以上的单细胞捕捉效率和70%以上的细胞配对效率。这项单细胞捕捉技术可以有效应用于单细胞测序、精准细胞融合、细胞-细胞相互作用等多种生命科学和生物医药工程研究中。


图2. (a)课题组研发的用于单细胞捕捉及配对的微流控芯片,(b, c)芯片内部的单元结构和(d)单细胞“捕捉配对”结果

建立高效率低成本肿瘤诊断检验系统

       癌症是严重威胁人类健康的重大疾病,其中高达90%的癌症致死原因是由癌症的转移引起的。组织活检是癌症诊断的传统方法,有取样困难、伤害大、操作复杂等缺点。而液体活检技术通过提取人体血液或体液,对其中的肿瘤细胞、游离DNA或RNA等进行分析,具有灵敏、快速、创伤小等特点,是新型肿瘤诊断技术的重要发展趋势。其中对血液中的循环肿瘤细胞(circulating tumor cells - CTCs)进行分离、富集、计数与分析是液体活检癌症诊断的重要技术手段。循环肿瘤细胞是从肿瘤原发病灶处脱落,进入人体外周循环血的各类肿瘤细胞的统称,是肿瘤开始转移的标志,因此对循环肿瘤细胞的捕获与检测对于癌症早期诊断、预后分析、个性化医疗、肿瘤单细胞测序等研究方向具有重要意义。目前循环肿瘤细胞液体活检技术已在结肠癌、乳腺癌、前列腺癌诊断方面开展临床应用,应用价值和市场前景巨大。

       循环肿瘤细胞在血液中的含量极为稀少,血液中血细胞与循环肿瘤细胞的浓度之比大于106,而癌症早期患者每毫升血液中的循环肿瘤细胞的个数在10个以下,如何有效地分离与富集循环肿瘤细胞是当前研究的重点和挑战。与深圳一家医疗科技公司合作,程鑫课题组近期开发出一种多层微流控芯片,并在芯片的基础上开发了循环肿瘤细胞分离系统(图3)。该系统具有肿瘤细胞提取效率高、通量大、成本低等特点,并可在芯片内实现肿瘤细胞分离、提取、染色等多种操作。微流控芯片通过与气压泵、多向开关、流量计、控制器等装置连接,可实现基于计算机编程的自动化操作。实验结果表明,该系统从血液中分离循环肿瘤细胞,提取效率达80%以上,10毫升血液样本可在90分钟内处理完成。


图3. (a)课题组研发的用于循环肿瘤细胞(CTCs)分选-计数的微流控芯片,(b)微流控芯片内部结构示意图,(c)芯片横截面的扫描电子显微镜照片和(d)循环肿瘤细胞自动化分离系统

定位液滴技术突破应用瓶颈

       随着现代生物医学工程技术的发展,微流控芯片和芯片实验室技术受到了越来越广泛的关注。由于该领域各类生物分析的需求十分繁杂,微流控芯片和芯片实验室的定制化设计与制造的重要性愈发凸显。而这种定制化设计制造的复杂性高,已成为微流控芯片推广应用的瓶颈。

       程鑫课题组开发了一种可在生物医学工程领域普遍适用的数字微流控液滴中央处理器芯片平台(图4)(central fluid processing unit - CFPU)。利用电润湿(electro-wetting)现象,有源矩阵(active-matrix)电路可以在不干涉其它液滴的情况下,通过下置电极对大型阵列中的任一液滴进行定位,从根本上实现了对液滴的灵活操控,为微流控生物芯片在功能和易用性方面带来许多突破。首先,液滴流体中央处理器芯片可作为一个通用的生物分析和生物合成平台。改变液滴中的成分,芯片上可完成完全不同的应用。通过有选择地定位阵列中的电极,液滴中央处理器芯片可随时进行动态构建,以完成预设应用程序内的特定任务,具备了非常好的通用性。其次,芯片有同时处理大量并行化学和生物反应的能力。在有源矩阵电路的驱动下,可以同时控制多个液滴。有源矩阵电路可轻易扩展至数千行和列的规模,即可直接操控成千上万个液滴。这对于大规模且复杂的生物分析任务来说,可极大的降低实验的人力和时间成本。

       利用可靠性极强的有源矩阵电路技术和微流控数字液滴结合, 课题组与大连化物所合作,构建了数字液滴中央处理器芯片和由相应硬件和软件组成的外围电子控制系统,实现对多个微小液滴并行连续的精准操控。芯片所具备的灵活性、简单易用性和可重复使用性等性能,可在基因组学、蛋白质组学、精准医疗等生物医学研究和应用中提供强大的样本前处理能力。


图4. 课题组与大连化物所联合开发的数字微流控中央处理器芯片

智能微型注射器满足精准有效治疗要求

       药物注射是医疗过程中最常用的治疗手段。药物注射器械也是医院里最为广泛使用的设备之一。随着用药种类和注射精度的要求不断提高,对药物注射器械也提出了更高的要求。同时,注射器械的小型化,甚至微型化,可为患者提供更为便利的体验,大大推广注射器械的使用范围。为实现更为精准和有效的治疗,注射器械的智能化也越来越受到重视。由于具备微小和轻便的特征,智能微型可穿戴注射泵芯片特别适用于野外或战场等条件艰苦环境下对伤员或患者的救治。

       程鑫课题组近期开发成功硬币大小的微流控泵芯片,并在泵芯片的基础上和上海一家健康科技企业联合开发智能微型药物注射器械(图5)。通过采用先进的微流控泵芯片设计,结合智能电路控制系统,可实现火柴盒大小的微型智能化药物注射系统。整个注射器械重量不超过20克,超轻便,可贴附于患者或伤者的手臂或身上,特别适合长时间持续使用,不影响使用者的日常活动。通过蓝牙与手持终端设备相连,实现了定制化的药物注射模式,达到精准和高效的治疗效果。因微流控泵芯片注射系统特别适用于长时间缓慢注射激素和止痛剂等体内快速代谢的药物,它的成功开发将在糖尿病等慢性病治疗或疼痛管理中发挥重要的作用。这类超轻便注射器械同样适用于医院或家庭使用,具备军民两用的特点,有技术推广潜力。通过双方合作,课题组已完成胰岛素泵工程样机,体积是市场上主流胰岛素泵体积的二分之一,且规模化生产成本大大低于市场主流胰岛素泵,相信它会有很好的应用前景。

图5. (a)抽液工作状态中的微流控泵芯片,(b)泵芯片驱动电路板原型,(c)超级便携式胰岛素注射泵和(d)组合泵