微流控芯片的医学应用与发展
Microfluidic Chip:医学应用
POCT芯片：癌症，心脑血管疾病，传染病的早期诊断和预防 微针采血：微量/无痛采血 移动医疗：以微流控芯片为核心的家庭诊断中心 植入芯片：血糖监测/给药一体化植入芯片，有效控制糖尿病 智能药丸：主动靶向给药
Microfluidic Chip:发展历程
哺乳动物细胞及其微环境操控平台——微流控芯片仿生实验室
• 由于微流控芯片的构件尺寸和细胞吻合，并可同时测定物理量、化学量和生物量，它已成为对哺乳 动物细胞及其微环境进行操控的最具潜力的平台。目前已可以构建微米量级且相对封闭的三维细胞 培养、分选、裂解等操作单元，并把这些单元成功延伸到组织和器官。器官芯片是一种更接近仿生 体系的模式，可在一块几平方厘米的芯片中培养各种活体细胞，形成组织器官，乃至由不同器官芯 片进一步组成活体芯片，从而模拟一个活体的行为并研究活体中整体和局部的种种关系。在药学领 域，器官芯片将被部分替代小白鼠等模型动物，用于验证候选药物，开展毒理和药理作用研究。
荧光免疫微流控芯片技术
电化学技术
POCT-用于免疫检测主动式微流控芯片
加样口 支持全血/血浆/ 血清 荧光标记抗体 纳米荧光探针 检测区 3D捕获、双抗夹 心反应形成，荧 光信号检测 废液仓 供多余的反应液 体储存 微流体调节器 S-channel 样本前处理 特定蛋白保护
质控区 反应每次检测成 功与否的内部质 控
目前市场上几种代表性微流控芯片POCT产品
mLabs现有检测项目： BNP/NT-ProBNP TnI/心梗三联（TnI/CK-MB/Myo) PCT D-Dimer
微点生物mLabs免疫诊断平台
Triage现有检测项目： BNP 心梗三联（TnI/CK-MB/Myo) 心肺功能五项（BNP/TnI/CK-MB/Myo/D-D) D-Dimer
微流控技术研究进展
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微流控的起源 微流控的概念 微流控的应用 微流控的发展方向
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微流控技术的起源
•微型化、集成化和智能化，是现代科技发展的一个重要趋势。伴随着微机电加工系统（MEMS）技术 的发展，电子计算机已由当年的“庞然大物”演变成由一个个微小的电路集成芯片组成的便携系统，甚 至是一部微型的智能手机。
美艾利尔Triage免疫诊断平台
iSTAT现有检测项目： BNP TnI 血气
雅培iSTAT诊断平台
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微流控的起源 微流控的概念 微流控的应用 微流控的发展向
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微流控芯片的市场前景
• 微流控芯片其中的一些应用已经或正在形成规模产业，例如基于微流控技术的新一代 床旁诊断（Microflluidics-based POCT)系统，被产业界认为目前最有可能成为“Killer Appliction”（杀手级应用）的微流控芯片产品，其市场预计从2013年的16亿美元增长 到2019年的56亿美元。
显微镜下MEMS芯片结构
MEMS隐形眼镜，可进行拍摄和显像
MEMS胶囊内镜
MEMS的应用领域
MEMS被广泛应用于军事与航空航天、 工业与交通、通讯、生物医药、消 费市场。
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微流控的起源 微流控的概念 微流控的应用 微流控的发展方向
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微流控技术的概念
• • 微流控技术是MEMS技术在流体处理方面的一个重要分支，由于这一技术是生物芯片的基石，2003 年被福布斯（Forbes）杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一。 微流控芯片(Microfluidic Chip) ，又称为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)或生物 芯片。是利用 MEMS 技 术将一个大型实验室系统缩微在一个玻璃或塑料基板上，从而复制复杂的生物学和化学反应全过程 ，快速自动地完成实验。其特征是在微米级尺度构造出容纳流体的通道、反应室和其它功能 部件， 操控微米体积的流体在微小空间中的运动过程，从而构建完整的化学或生物实验室。 • 这一技术将给基因、免疫、微生物和临床化学等诊 断领域带来颠覆性突破，使威胁人类健康的诸多疾 病如癌症、心脑血管疾病的早期诊断和预防成为可 能。生物芯片与生物靶向药物的结合，将推动临床 医学全面走向个性化医疗诊疗。
基于PCR的检测需要花很多时间在扩增上，而微流控芯片技术的 特点——微量、高效、节省
PCR-微流控芯片的应用
•目前其应用主要集中在核酸分离和定量、DNA 测序、基因突变和基因差异表达分析等。另外，蛋白质 的筛分在微流控芯片中也已有报道针对病原微生物基因组的特征性片段、染色体DNA 的序列多态型？ 基因变异的位点及特征等，设计和选择合适的核酸探针，经PCR 扩增后检测，就能获得病原微生物种 属、亚型、毒力、抗药、致病、同源性、多态型、变异和表达等信息，为疾病的诊断和治疗提供一个很 好的切入点。 •自1992 年微流控芯片CE 首次报道以来，进展很快。首台商品仪器是微流控芯片 CE ( 生化分析仪， Aglient) ，可提供用于核酸及蛋白质分析的微流控芯片产品。
新一代床旁诊断（POCT）技术——Microfluidics-based POCT
• • POCT可直接在被检者身边提供快捷有效的生化指标，现场指导用药，使检测、诊断、治疗成为一 个连续过程，对于疾病的早期发现和治疗具有突破性的意义。 POCT仪器发展趋势应是小型化、“傻瓜”式，操作简单，无需专业人员，直接输入体液样本，即 可迅速得到诊断结果，并将信息上传至远程监控中心，由医生指导保健。目前，市场上有多种即时 诊断方法，简单的流动测试工作没有流体管理技术，而当测试复杂性增加时，微流控技术是必要的 。微流控芯片所具有的多种单元技术在微小可控平台上灵活组合和规模集成的特点已使其成为现代 POCT技术的首选，经过近年的发展，已涌现了一批微流控芯片POCT分子诊断和免疫诊断的成功 案例。
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微流控的起源 微流控的概念 微流控的应用 微流控的发展方向
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基于微流控芯片的代表性关键技术
① 微流控分析芯片是新一代床旁诊断（Point of care testing, POCT）主流技术，可直接 在被检对象身边提供快捷有效的生化指标，使现场检测、诊断、治疗成为一个连续的 过程； ② 微流控反应芯片以液滴为代表，是迄今为止最重要的微反应器，在高通量药物筛选， 单细胞测序等领域显示了巨大的威力； ③ 微流控细胞/器官操控芯片是哺乳动物细胞及其微环境操控最重要技术平台，渴望部分 代替小白鼠等动物模型，用于验证候选药物，开展药物毒理和药理作用研究。
丛玉隆教授(中华检验专委会主任委员)： 目前，已经有10%以上的检验工作是由POCT完成，已成为检验医 疗器械增长最快的部分 将来的检验将更接近患者并分布在整个医院和社区的门诊部，多到 80%的实验室工作将在距患者只有几步远的仪器上完成
检验医学发展的两极：
POCT：美国在目前多到80% 的实验工作将在距患者只有几步远的仪器上完成 中央实验室:,处理和分析床边仪器不能检测的标本
检测区3D抗体捕获
微流体调节器
POCT-用于免疫检测主动式微流控芯片
D-D Ab Tag
D-D Ag
Capture Zone
D-D
Reaction Zone
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主动式微流控技术与其他POCT技术的区别
对比项 第二代微流控芯片 微流表面处理技术 流动均匀 可控 使用独有专利技术的S-通道 液体调节器控制液流，使检 测结果更准确，受样本影响 更小。 订制的高亲和力生物探针， 信噪比高，结合率高 3D立体捕获技术，提高检测 灵敏度 > 90% 4~10分钟 0.001ng < 10% 一步加样 第一代微流控芯片 微流表面处理技术 流动均匀 不可控 通过疏水材料涂层来建立所 谓的时间门槛，受病人样品 影响大，废卡率高 二次激发的纳米球探针，信 噪比高，结合率中 注塑成型的立体区域，模具 易磨损，成本高 < 70% 15分钟 0.001ng < 15% 一步加样 侧向层析卡 NC膜多孔材料， 流动不均匀 不可控
流道载体
反应过程控制
核心微流控制器件
无
生物放大技术
普通荧光探针，信噪比低， 结合率低 常规技术
抗体捕获
生产良率 反应时间 灵敏度 重复性（CV） 操作便利性
< 33% 15~30分钟 0.1ng < 20% 需要稀释，分步加样
微流控芯片POCT的应用前景
杨振华教授(卫生部临检中心主任)： 在未来的5－10年内，POCT应该达到检查的70－80%以上，基本 改变目前的检验医学格局
2002 Quake在Science杂志，首 次提出微流控芯片概念 2004 第一款商业化微流控芯片面 世
1959 Richard Feynman教授 提出MEMS设想
1962 硅微型压力传感器问世， MEMS技术进入医疗领域
微流控芯片的战略意义
• 自微流控芯片诞生以来，一直受到学术界和产业界的极大关注。2001年，“Lab on a Chip”杂志 创刊，它很快成为本领域的一种主流刊物，引领世界范围微流控芯片研究的深入开展。2004年美国 Business 2.0 杂志在一篇封面文章把芯片实验室列为“改变未来的七种技术之一”。 2006 年 7 月 Nature杂志发表了一期题为“芯片实验室”专辑，从不同角度阐述了芯片实验室的研究历史、现状 和应用前景，并在编辑部的社评中指出：芯片实验室可能成为“这一世纪的技术”。至此，芯片实 验室所显示的战略性意义，已在更高层面和更大范围内被学术界和产业界所认同。
•与之发展类似，今天我们介绍的微流控芯片，又称芯片实验室（Lab-on-a-Chip），是一种以在微纳米 尺度空间中对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能诸如样品制 备、反应、分离和检测等缩微到一个几平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大优势是多种单元技术 在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。