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2024有源医疗器械创新论坛Medtec浅析微流控技术及其在IVD领域的应用

2024-06-22

微流控技术(Microfluidics)指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为微升到纳升)的系统所涉及的科学和技术,是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。微流控的早期概念可以追溯到19世纪70年代采用光刻技术在硅片上制作的气相色谱仪,而后又发展为微流控毛细管电泳仪和微反应器等。

因为具有微型化、集成化等特征,微流控装置通常被称为微流控芯片,也被称为芯片实验室(Lab on a Chip)和微全分析系统(micro-Total Analytical System)。微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统,将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上,加载生物样品和反应液后,采用微机械泵、电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动,形成微流路,于芯片上进行一种或连续多种的反应。采用荧光、电化学、质谱等分析手段,对样品进行快速、准确和高通量的分析。下面2024有源医疗器械创新论坛Medtec就从微流控技术的分类、芯片特点、微流控芯片与生物芯片的区别、应用等方面进行介绍。

一、微流控技术的分类

在微流控技术中,微流体驱动和控制技术是实现微流体控制的前提和基础,其控制方式种类众多,采用的原理和形式也不尽相同。根据微流体驱动方式不同,微流控技术主要分为两类:主动型微流控和自趋式微流控。

主动型微流控是利用外源性驱动力(包括压力、离心力、磁力、电润湿等)进行微流体操控的方式。压力式微流控是利用气压或液压或气液压混合,来控制液体在芯片中的运动。离心式微流控一般为对称盘式构型,利用旋转产生的离心力来驱动液体在芯片中的运动。磁力式微流控是利用磁场来控制流体中的磁性物质,以驱动流体的运动。数字化微流控一般基于电润湿的基本原理,以多种方式操纵液滴,构建电极阵列,实现复杂的生化分析。

自驱式微流控通常是指利用表面亲疏水特性或毛细力来进行流体的输运与处理的方式。其特点是自驱动、无需额外泵源和能源。

 

二、微流控芯片技术的特点

基于微机电系统(MEMS)发展而来的微流控芯片技术,被誉为改变未来的七种技术之一,相比于传统方法其技术有如下优势:

(一)集成小型化与自动化

微流控技术能够把样本检测的多个步骤集中在一张小小的芯片上,通过流道的尺寸和曲度、微阀门、腔体设计的搭配组合来集成这些操作步骤,最终使整个检测集成小型化和自动化。

(二)高通量

由于微流控可以设计成为多流道,通过微流道网络可以同时将待检测样本分流到多个反应单元,同时反应单元之间相互隔离,使各个反应互不相干扰,因此可以根据需要对同一个样本平行进行多个项目的检测。与常规逐个项目检测相比,大大缩短了检测的时间,提高了检测效率,具有高通量的特点。

(三)检测试剂消耗少

由于集成检测的小型化,使微流控芯片上的反应单元腔体非常小,虽然试剂配方的浓度可能有一定比例的提高,但是试剂使用量远远低于常规试剂,大大降低了试剂的消耗量。

(四)样本量需求少

由于只在几厘米大小的芯片上完成检测,因此需要被检测的样本量需求非常少,往往只需要微升甚至纳升级别。同时由于其高通量的特点,对一次采集的样本就可以实现多项测试,因此对于不易获取的样本检测更加具有优势。

(五)污染少

由于微流控芯片的集成功能,原先在实验室里需要人工完成的各项操作全部集成到芯片上自动完成,使人工操作时样本对环境的污染降低到最低程度。例如在分子核酸类检测中,气溶胶的扩散使得后续样本检测容易出现假阳性,微流控技术的使用很好的解决了这一问题。

同时,微流控芯片技术仍存在以下的不足:

(一)核心技术缺乏规范和标准

在微流控的产业化中,由于技术还不太成熟,产品缺乏相应的标准化和规范化,目前还没法实现组件的通用化。这样也就没法形成上下游公司合作式的开发模式。

(二)生产成本高昂

微流控产品本身就是结合微机电加工、生命科学、化学合成、光学工程及电子工程等许多领域学科的新产品,技术要求高,开发周期较长,导致生产成本升高。

(三)技术难题

比如对于微流控免疫分析芯片系统,抗体的固定、对微通道表面的封闭,显著影响免疫分析的灵敏度,是该类芯片需要重点解决的问题。

另外,微流控芯片与外围设备如自动分析、显示设备等的集成化也是需要重点攻克的难题。

 

三、微流控芯片与生物芯片的区别

微流控芯片指的是在一块几平方厘米的芯片上构建化学或生物学实验室,它可以把所涉及的化学和生物学领域中的样品制备、反应、检测,细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成到这块很小的芯片上,用于完成不同的生物学和化学反应过程,并通过由微通道形成的网络,使微流体贯穿整个系统,用以实现常规化学或生物学实验室的各种功能。

生物芯片(biochip或bioarray)是根据生物分子间特异相互作用的原理,将生化分析过程集成于芯片表面,从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。狭义的生物芯片概念是指通过不同方法将生物分子固着于硅片、玻璃片、凝胶等固相递质上形成的生物分子点阵。因此生物芯片技术又称微阵列列(microarray)技术。

微流控芯片是以微量流体的精确控制为核心技术,而生物芯片是以静态的亲和反应配对为核心技术。从原理、应用及发展目标上看,它们都是芯片实验室,但它们各有自己的特点,它们分属于不同的学科体系以及技术领域。在实际的研究和应用当中,各概念所涉及的技术往往是相互交叉的,例如生物芯片可单独使用也可作为微流控芯片的一种检测技术。    

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四、微流控芯片在体外诊断领域的应用

目前体外诊断是微流控技术的最大的应用场景。国内外体外诊断技术主要表现为自动化、快速化、超高灵敏度、高通量检测和无创化、微创化的发展趋势。

(一)生化、免疫诊断检测中的应用

体外生化诊断检测原理主要基于酶动力学检测,依靠酶催化底物产生信号。微流控芯片高通量及微型化的特点,可以解决生化检测项目多、样本消耗量大、试剂成本高等问题。目前,商品化的微流控生化分析芯片主要以离心式微流控芯片为主。将生物化学检测中所涉及的全血标本加样、分离、定量、稀释、反应、检测等基本操作步骤集成在微芯片上,以微通道网络连接各个反应腔室,通过离心力、毛细管力及虹吸阀等实现对流体的精确控制。

免疫检测主要是基于抗原抗体的特异性生物识别机制进行检测,本身具有较高的特异性。有研究发现,在微流通道内,当流体动力强度在0.1~10pN 时可以分裂抗原抗体的非特异性结合,而在6~250pN 时仍然可以保留抗原抗体的特异性结合[8-10],同时微流控技术平台进行的微流控分析所需试剂量极小,大大降低了抗体等昂贵免疫试剂的消耗。此外,微纳尺度的流体操控与集成,不仅提高了抗原与抗体反应的速度、有效缩短了反应时间,并极大地简化了免疫分析的操作过程。因此,微流控免疫分析技术在提高体外诊断检测的特异性、灵敏度、精确性等检测性能方面具有巨大的潜在应用价值。

(二)分子诊断检测中的应用

分子诊断在目前精准检验医学所占的比重越来越大,肿瘤的转移复发、靶向药物的筛选、胎儿的产前诊断等均有赖于分子诊断。而在微流控芯片方面,核酸扩增技术同样也发展最为成熟,基于不同类型的核酸扩增方法均有大量报道,包括实时荧光定量PCR芯片、逆转录PCR芯片、液滴PCR芯片、数字PCR芯片等,以及基于恒温扩增技术的环介导等温扩增、滚环扩增、重组酶聚合酶扩增等手段的微流控芯片。在数字微流控芯片中少量的模板DNA和试剂被封装在液滴或微孔内,允许在相对传统DNA扩增方案(例如PCR)更短的时间内分析珍贵的核酸样品。目前微流控芯片已实现了分子诊断领域大部分的技术方法,包括基因分型、基因突变、单核苷酸多态性位点检测、疾病相关微小RNA检测,DNA测序等。

五、相关产品的注册审评情况

目前经注册审评的产品主要包括基于不同芯片检测方法的试剂,以及配套芯片使用的检测设备。芯片类试剂主要集中为境内注册,目前已批准境内三类试剂40余项,由国家局批准上市的芯片检测相关的设备(境内、进口)共约10余项。境内二类产品100余项。

早期的芯片试剂类产品均为生物芯片,主要用于核酸和蛋白的检测,试剂以微阵列等形式提前包被在芯片中,如采用核酸杂交芯片或蛋白芯片进行多项基因或抗体的检测。我中心于2013年发布《生物芯片类检测试剂注册审查指导原则》对该类产品进行注册指导。

随着微流控技术的不断发展,越来越多不同微流控形式的试剂申报注册,并经批准上市。有微阵列芯片、杂交芯片、PCR扩增芯片、碟式芯片、毛细管电泳、电化学基因芯片等。申报的试剂检测主要涵盖病原体检测、基因分型、基因多态性、遗传基因、以及肿瘤标志物的检测;配套的检测设备主要集中在恒温扩增芯片分析仪、数字PCR分析仪、生物芯片阅读仪等类别。

2024有源医疗器械创新论坛Medtec目前发现国内产品的自动化和微流控程度较低,主要产品类别仍旧集中在微流控程度不高的生物芯片、以及采用简单离心方法进行控制的PCR芯片,对配套设备的要求不高。

六、审评思考及提示

对于不涉及液路系统的生物芯片,参照其他试剂进行整体的分析性能评价。对于存在微流控的芯片,针对碟片式芯片,需另外考虑转速和离心力。针对其他液路控制的芯片,考虑液路管径、流速、压力等因素。还有些芯片中未包被试剂,此时芯片不做为试剂管理,试剂的申报资料中应对配套使用的芯片进行选择研究。

对于主动型芯片,即微流控过程完全由芯片自动实现,配套设备参照常规设备产品要求;对于被动型芯片,即微流控过程由配套设备施加外部动力来实现,需要结合外部动力的实现原理,评价相应的机械定位、压力、磁力等相关因素。

文章来源:IVD工具人 

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