杨芃原:微流控技术有望十年内得到普遍应用

2010-12-03 10:54 来源: 分析测试百科
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【导语】微全分析系统自90年代提出以来,目前已发展成为当今世界上最前沿的科技领域之一。凭借其高通量、低消耗的技术优势,将为生物医药、新药合成筛选、临床诊断等领域的研究和产业化打开一扇通往美好明天的大门。在第六届微全分析学术会议期间,分析测试百科网记者有幸采访到复旦大学的杨芃原教授,作为国家973项目“微流控学在化学和生物医学中的应用基础研究”首席科学家以及此次大会的承办人,杨教授将从他的视角为我们介绍国际和我国微全分析领域的发展现状和前景。


 


复旦大学化学系 杨芃原教授

  微全分析系统发展的三大里程碑

  MEMS技术的兴起

  杨教授首先指出,90年代初期兴起的MEMS(微机电系统)技术是微全分析系统领域发展的第一大里程碑,MEMS融合了微电子与精密机械加工技术,包含微传感器、微执行器及信号处理、控制电路等,利用三维加工技术制造微米或纳米尺度的零件、部件或集光机电于一体,完成一定功能的复杂微细系统,是实现“片上系统”的发展方向。

  MEMS技术的实质是半导体工艺,可以将三极管的尺寸做到比硅粒还要小,利用该项技术可以研制出基于半导体工艺的一些器件,例如轰动一时的小型直升飞机、小型齿轮的推出等。MEMS技术最大的优势在于可将所有的器件不仅能够呈现出一层,还可实现多层丰富的立体结构。

  杨教授告诉我们,当今MEMS技术最有代表性的部件为压力传感器,MEMS压力传感器可以用类似集成电路(IC)设计技术和制造工艺,进行高精度、低成本的大批量生产。相对于传统的机械量传感器,MEMS压力传感器的尺寸更小,最大的不超过1cm,使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

  MEMS与高分子化学技术的结合

  第二大里程碑则是MEMS与高分子化学技术的结合。仅仅采用半导体工艺研制的芯片不能完全满足化学家和生物学家的要求,化学材料芯片(即高分子芯片)的问世是微全分析领域的一项突破性进展,现已成为微全分析系统的核心器件。

  Lab-on-a-chip(芯片实验室)概念的提出

  微全分析系统在应用上的贡献则是90年代末期Lab-on-a-chip(芯片实验室)概念的提出。“Lab-on-a-chip” 是以芯片为平台的微全分析系统,它是把生物和化学等领域所涉及的样品制备、生物与化学反应分离与检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上,用以完成不同的生物或化学反应过程,并对其产物进行分析的一种技术。通俗言之,就是将生物实验室、化学实验室和医学实验室等搬到一个芯片上,取代实验室中各种各样的器件、管道等。目前主要通过微阵列和微流控这两种方式来实现。

  Lab-on-a-chip 概念一经提出,迅速获得全球科学和产业届推崇,如:2004年9月美国Business 2.0杂志的封面文章称,芯片实验室是“改变未来的七种技术”之一。2001年创刊的《Lab on a chip》(芯片实验室)期刊现在影响因子已达6.5。杨教授还特别指出,在2006年7月出版的《Nature》上,共发表了包含有7篇述评文章的“芯片实验室”专辑,非常系统地叙述了微流控芯片的研究历史、现状和应用背景。


  将微流控技术应用于生物医学的研究领域

  疾病诊断和药物筛选是现代生物医学研究中的两个重要课题,对提高人类的健康水平和生活质量起着至关重要的作用。我国作为一个发展中的人口大国,面临很大的医疗卫生方面的压力,迫切需要发展快速准确的疾病诊断新方法和研发高通量高内涵新药。药物筛选是新药开发的关键步骤,细胞水平筛选因其更接近于生理条件,准确率高,干扰因素少,正逐步成为药物筛选的主流。

  国家973项目“微流控学在化学和生物医学中的应用基础研究”以围绕微流控技术高通量和低消耗的两个基本特征,在微流控学理论、微流控技术和技术及其应用三个层次开展深入系统的研究,发展面向国家重大需求的高通量低消耗的微流控反应、分析、诊断和筛选新理论、技术和应用。使我国在传染性疾病的诊断、药物分子合成与筛选、细胞和分子功能研究中取得新突破,迈上新台阶。杨教授作为该课题的首席科学家,首先向我们简要介绍了整个项目的研究进展。

  973项目“微流控学在化学和生物医学中的应用基础研究”共设置有7个课题:包括微流控系统介质输运与控制理论;高性能微流控芯片/器件的制备方法及相关理论;高速及多通道阵列微流控分离检测新方法的研究;微流控学的化学合成方法;药物高效筛选的微流控新方法及其应用研究;分子功能和药靶研究的微流控新方法;传染性疾病诊断微流控新方法及其应用研究。主要解决的关键科学问题是寻求和研究在微流控通道内实现高通量、低消耗和低成本的化学合成、药物筛选、疾病诊断的微流控学理论、技术和方法学。

  杨教授作为此项课题的首席科学家,组织了由复旦大学、南京大学、浙江大学、大连理工大学、中科院化学所、科学院大连化学物理研究所、清华大学、武汉大学八家单位的强大研究团队,主要学术骨干均来自化学、医学、生物学、药学、物理学和力学工程学等交叉学科,研究骨干中有4位国家杰出青年基金获得者。

  杨教授本人所在研究小组主要从事生物医学领域中蛋白的研究,在这里笔者也了解到其课题组在微流控技术方面的最新研究进展。

  微流控快速在线酶解技术

  杨教授首先向我们介绍了由其课题组开发的微流控快速在线酶解技术。酶解是蛋白质组分析的重要前处理方法,传统的酶解常需在37℃下进行12小时(即过夜),在蛋白质组学研究中是一个耗时较长的过程。课题组创新地将酶用介孔材料固定在微流控分析芯片上,大大增加了酶和蛋白的碰撞次数,反应速率提高1000倍,酶解时间由原先的12小时缩短到只需2秒的时间,实现了微流控芯片上的高通量快速在线酶解,并大大减少了耗样量。这对于实现高通量、高灵敏度的蛋白质组学研究是一项显著的技术革新。

  用微流控芯片研究肿瘤细胞

  微流控芯片已被证实的一大应用是研究细胞(比如肿瘤细胞)和环境的相互作用。每个人达到一定的年龄阶段,都有发生细胞癌变的可能,肿瘤细胞的转移往往是导致死亡的主要原因,目前在临床上的主要手段就是当肿瘤长到一定程度快转移时,将其割掉,但大多数病人的存活期还是非常短。随着现代医学技术的发展,人类希望能够和肿瘤细胞和平共处,因此希望能研究清楚肿瘤细胞在什么环境下可以保持较为惰性的状态,甚至发生逆转。

  杨教授课题组从人类干细胞的研究中得到很多启示,比如人类干细胞通过适当改造可以具有逆转的趋势,而肿瘤组织中存在的某些癌细胞,在肿瘤形成过程中可充当干细胞的角色。课题组主要利用芯片来培养癌症细胞,通过观察癌症细胞的各种反应,以及和其它细胞之间的相互作用,来研究肿瘤的发生、发展、复发和转移的机制,试图来Educate(教会)肿瘤细胞如何转换成良性。