微流控技術的生物學應用

2020-12-15 生物谷

 

微流控技術為在推動生物學眾多領域的強大工具做出了巨大貢獻。隨著用於微通道中流體的注射、混合、泵送和存儲的新器件和工藝的發展，近年來微流控系統在化學和生物化學中的應用越來越廣泛。

儘管微流控技術近年來取得了一定進展，但在樣品引入和處理一定體積範圍的流體方面仍然存在一些挑戰。納米技術的最新發展則有助於提升微流控技術。微系統已經徹底改變了可用於分析複雜樣品的高靈敏度生物分析系統的發展。這些器件可用於多種領域，包括臨床診斷、汙染監測、藥物發現和生物危害檢測等。

生物學研究

微流控系統具有樣品要求低、測試表面積大、系統佔用空間小等優點，是生物學研究的理想平臺。如今這些技術已被用於研究細胞和整個生物體。該技術簡化了其它繁瑣的操作，如流量控制、刺激傳遞和動物處理等。

目前，一些微型裝置已經成功地用於研究響應空間或時間刺激下的神經元活動的變化參數。微流控技術在「迷宮實驗」中對動物的感覺功能和運動行為研究非常有幫助。該技術還可以進行成像、表型篩選以及神經再生研究。

微流控系統的關鍵用途之一是單細胞的分離和生化研究。事實上，據已報導的研究表示，現已通過微流控系統成功測量了單個大腸桿菌細胞中β-半乳糖苷酶的表達。

幹細胞研究

幹細胞研究極大地受益於微流控技術的進步。與傳統方法相比，微型化有助於幹細胞分析更加深入。將微流控技術與螢光顯微鏡等設備相結合，可以提供一種更加系統化的幹細胞研究方法，同時也展現出了良好的醫學應用前景。

然而，為了更廣泛地應用於複雜的幹細胞研究問題，微流控的某些方面，如易用性、用於生產微流控器件的材料以及與其它系統集成等方面的問題還有待解決。

化學生物學研究

梯度

微流控技術可以控制通道中的流體層流流動，從而產生多個數量級的濃度梯度。目前已經有一些研究使用這些梯度來分析蛋白梯度中的中性粒細胞的遷移和白細胞介素-8（IL-8）梯度中的人中性粒細胞趨化性。

凝膠結構

當在瓊脂凝膠或瓊脂糖凝膠中使用軟光刻工藝來構建微流控系統時，它們可形成生物相容的微結構，而該微結構可以充當容器，並且可用在有表型改變分子的情況下培養微生物細胞。

陣列

包含交叉微通道陣列的微流控系統還可用於與細胞或蛋白質的分子相互作用的研究。此類系統已用於多種類型的檢測，包括病原微生物的檢測和血清樣品中蛋白質的檢測。

液滴

微流控技術現已被用來設計能夠在微通道中產生微小液滴的系統。這些液滴體積非常小（通常以皮升為計量單位），可用於液體生物反應器等一些大家比較關注的應用中。

微流控稀釋器

微流控稀釋器可對溶液或試劑進行一系列稀釋。當用於實驗時，它們就類似於96孔板（96-well plate），但是試劑使用量較少，並且相對容易操作。

微生物研究

如今微流控技術已經使秀麗隱杆線蟲的研究成為可能。用於秀麗隱杆線蟲研究的晶片大致分為行為分析晶片、高解析度成像晶片和片上培養的晶片，儘管沒有任一器件屬於單一類別。大多數器件是帶有通道、微腔或微柱的PDMS晶片。如圖1a所示，大多數器件都與載玻片粘合，因此與環境隔絕。這些器件還包含用於蠕蟲進出的訪問埠。通道和微腔由液體介質填充，通常是M9緩衝液，並且進入埠允許介質交換，從而能夠輸送可溶性化學刺激物。PDMS晶片也可以用於瓊脂表面，如圖1b所示。在這種情況下，蠕蟲在受控氣體環境下的同時還能夠在瓊脂表面爬行。通常，當蠕蟲在瓊脂表面爬行或必須從菌苔進食時，這些裝置更適合用於觀察。

新的緊湊型系統能夠在晶片上進行行為分析、運動研究或長期微生物培養。這項新技術有助於將蠕蟲處理和成像結合起來，從而促進光遺傳學研究和基因篩選。

軟光刻技術製作用於秀麗隱杆線蟲研究的微流控器件

通過軟光刻快速成型技術製作PDMS微流控器件簡單、便宜且高效。整個過程可以在一天內完成，而PDMS器件的成型只需要幾個小時。軟光刻技術是基於鑄造成型的概念。

微流控具有體積小、成本低、廢物產生少等諸多優點，有利於生物學家和生物化學家展開進一步的研究。展望未來，微流控技術將有望在單細胞分析、基於細胞的分析、基因表達分析和表型篩選等領域中創造更經濟適用的方法，同時發揮出更大的作用，這些方法也將改變全球醫療保健研究。(生物谷Bioon.com）

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