资讯动态

微流控生物测定器件:新的打印步骤改进了传统的微接触印刷技术

2017-07-28

医疗诊断技术正走向更简单、更廉价、更便携,微流控生物测定器件已成为疾病诊断一项重要选择,而微接触印刷技术又是微流控器件的一项重要加工技术。最近,日本冲绳科学技术大学院大学的研究人员开发出一种新的打印步骤,改进了传统的微接触印刷技术。


背景


医学界的技术创新趋势一直都是更准确、更简单、更快速、更廉价、更便携,不断改善治疗效果,提升病人医疗体验,降低医疗成本。对此,笔者过去曾在多篇文章中都有过介绍,相关文章整理到在医疗电子创新专题和生物传感器与芯片实验室专题两个专题中。


通过以往的相关介绍,对于医学技术发展趋势的把握,我们不难得出:微流控生物测定器件已成为疾病诊断的优选工具之一。临床医生利用这种诊断工具,可测量出病人生物样本(例如血样)中的疾病生物标志物的浓度,再基于样本中的生物标志物浓度和正常水平的对比,推断出疾病的可能性。


为检测生物标志物浓度,病人生物样本需在含有生物感受器(bioreceptors)的表面上进行传递。这种生物感受器也被称为“捕捉生物标志物”的分子,附着于某种材料的表面之上。然后,研究人员可以记录生物标志物的充裕度,并判断这种水平是否正常,以及是否达到诊断标准。


然而这些器件的效率依赖于附着的生物感受器的功能性和完整性,固定这些生物感受器,并且不引起任何损害,是一项极具挑战性的工作。过去二十年以来,微接触印刷技术使用橡皮图章固定生物感受器,已经成为进行各种化验的一种鲁棒方法,且具有多项应用。

908dfe9b0f817d929ca33d7b68e3f04d.jpg


目前,这种方法也存在缺点,特别是在纳米级(蛋白质和DNA所处的级别)应用时。在纳米级别,目前这种严苛而精心设计的技术对于器件会产生一定危害,无论是扭曲图章或者是损害生物感受器,所以其产出的数据对于诊断和其他方面的应用来说有些难以管理。


创新


针对上述问题,最近日本冲绳科学技术大学院大学(OIST)的研究人员开发出一种新的打印步骤,改进了传统的微接触印刷技术。他们将相关论文发表于《分析师》杂志。


技术


对于这种微接触印刷技术,我们先看看论文的第一作者、OIST微/生物/纳流控部件方向的博士研究生Shivani Sathish是如何解释的:“你需要一枚图章、一些墨水和一个表面,然后你就可以在这个表面上创作你的图案,就这么简单。”


组成


图章由聚二甲硅氧烷组成,它是一种柔性的固体,类似于我们日常所用的橡皮图章;墨水是由硅和含氧分子也称为“APTES”所组成的溶液;而表面则是由玻璃。


01af459c58df0477306a475c6eb677f4.jpg

步骤


首先,研究人员将图章涂上墨水,然后将它按在玻璃上,然后在短暂接触后移除;结果在玻璃(一种棋盘般的区域,具有或者不具有APTES)之上,就会形成APTES图案层;下一步,这种含有一个或者多个微流体通道的微流控器件经过配置后,引导流体通过特殊路径,通过玻璃图案密封起来;最后,这种生物感受器与微流体通道内的APTES区域,以化学的方法连接起来。


这种系统现在正准备用于疾病的诊断分析。为了开展这种化验,来自于患者的液体样本流过玻璃上的微流体器件。如果出现相关疾病的生物标志物,分子将“粘在”含有生物感受器的区域。


价值


APTES溶液重点优势是其化学过程的便捷性。Sathish女士解释道:“根据你感兴趣的生物感受器,你只需要选择适当的化学过程将分子和APTES关联起来。”


换句话说,一枚图章可以用于准备一次化验,它有能力固定各种不同的生物感受器,也就是说一枚图章可以让多个测试和诊断在单个表面上进行。这个功能将有利于诊断复杂疾病,例如癌症,因为这些疾病通常需要多个测试检测多种标志物,从而提高诊断效果。


在他们的研究中,Sathish女士和同事们开发出一种改良技术,能够制造出最优的疾病诊断器件,可用于纳米级。在这里,他们首选使用溶于水的APTES组成的墨水,对于APTES的纳米特征进行图案化,与严苛的化学物质相比,它消除了图章溶胀的现象。


在对于APTES进行图案化和连接微流控器件之后,他们将生物感受器固定到玻璃表面之上,以此作为整个过程的最后一步。因为将连接生物感受器作为最后一步,研究人员避免了将它们暴露于极端和破坏性条件。


然后,他们通过进行试验捕捉生物标志物:白细胞介素6和人类c反应蛋白(这两种生物质通常在身体处于炎症时升高),展示了最终器件的功效。


未来


这项研究的领导者、OIST教授Amy Shen说:“最终的目标是创造定点照护器件。”


Sathish女士继续补充说:“如果你让生物感受器预先固定在微流控器件中,你将可以在需要的时候使用它们。最终,我们希望患者能够在家进行诊断,而无需复杂的临床团队诊断你的样本。”