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微流控技术的生物学应用

来源:MEMS 2019-07-18 12:31

 

微流控技术为在推动生物学众多领域的强大工具做出了巨大贡献。随着用于微通道中流体的注射、混合、泵送和存储的新器件和工艺的发展,近年来微流控系统在化学和生物化学中的应用越来越广泛。

尽管微流控技术近年来取得了一定进展,但在样品引入和处理一定体积范围的流体方面仍然存在一些挑战。纳米技术的最新发展则有助于提升微流控技术。微系统已经彻底改变了可用于分析复杂样品的高灵敏度生物分析系统的发展。这些器件可用于多种领域,包括临床诊断、污染监测、药物发现和生物危害检测等。

生物学研究

微流控系统具有样品要求低、测试表面积大、系统占用空间小等优点,是生物学研究的理想平台。如今这些技术已被用于研究细胞和整个生物体。该技术简化了其它繁琐的操作,如流量控制、刺激传递和动物处理等。

目前,一些微型装置已经成功地用于研究响应空间或时间刺激下的神经元活动的变化参数。微流控技术在“迷宫实验”中对动物的感觉功能和运动行为研究非常有帮助。该技术还可以进行成像、表型筛选以及神经再生研究。

微流控系统的关键用途之一是单细胞的分离和生化研究。事实上,据已报道的研究表示,现已通过微流控系统成功测量了单个大肠杆菌细胞中β-半乳糖苷酶的表达。

干细胞研究

干细胞研究极大地受益于微流控技术的进步。与传统方法相比,微型化有助于干细胞分析更加深入。将微流控技术与荧光显微镜等设备相结合,可以提供一种更加系统化的干细胞研究方法,同时也展现出了良好的医学应用前景。

然而,为了更广泛地应用于复杂的干细胞研究问题,微流控的某些方面,如易用性、用于生产微流控器件的材料以及与其它系统集成等方面的问题还有待解决。

化学生物学研究

梯度

微流控技术可以控制通道中的流体层流流动,从而产生多个数量级的浓度梯度。目前已经有一些研究使用这些梯度来分析蛋白梯度中的中性粒细胞的迁移和白细胞介素-8(IL-8)梯度中的人中性粒细胞趋化性。

凝胶结构

当在琼脂凝胶或琼脂糖凝胶中使用软光刻工艺来构建微流控系统时,它们可形成生物相容的微结构,而该微结构可以充当容器,并且可用在有表型改变分子的情况下培养微生物细胞。

阵列

包含交叉微通道阵列的微流控系统还可用于与细胞或蛋白质的分子相互作用的研究。此类系统已用于多种类型的检测,包括病原微生物的检测和血清样品中蛋白质的检测。

液滴

微流控技术现已被用来设计能够在微通道中产生微小液滴的系统。这些液滴体积非常小(通常以皮升为计量单位),可用于液体生物反应器等一些大家比较关注的应用中。

微流控稀释器

微流控稀释器可对溶液或试剂进行一系列稀释。当用于实验时,它们就类似于96孔板(96-well plate),但是试剂使用量较少,并且相对容易操作。

微生物研究

如今微流控技术已经使秀丽隐杆线虫的研究成为可能。用于秀丽隐杆线虫研究的芯片大致分为行为分析芯片、高分辨率成像芯片和片上培养的芯片,尽管没有任一器件属于单一类别。大多数器件是带有通道、微腔或微柱的PDMS芯片。如图1a所示,大多数器件都与载玻片粘合,因此与环境隔绝。这些器件还包含用于蠕虫进出的访问端口。通道和微腔由液体介质填充,通常是M9缓冲液,并且进入端口允许介质交换,从而能够输送可溶性化学刺激物。PDMS芯片也可以用于琼脂表面,如图1b所示。在这种情况下,蠕虫在受控气体环境下的同时还能够在琼脂表面爬行。通常,当蠕虫在琼脂表面爬行或必须从菌苔进食时,这些装置更适合用于观察。

新的紧凑型系统能够在芯片上进行行为分析、运动研究或长期微生物培养。这项新技术有助于将蠕虫处理和成像结合起来,从而促进光遗传学研究和基因筛选。

软光刻技术制作用于秀丽隐杆线虫研究的微流控器件

通过软光刻快速成型技术制作PDMS微流控器件简单、便宜且高效。整个过程可以在一天内完成,而PDMS器件的成型只需要几个小时。软光刻技术是基于铸造成型的概念。

微流控具有体积小、成本低、废物产生少等诸多优点,有利于生物学家和生物化学家展开进一步的研究。展望未来,微流控技术将有望在单细胞分析、基于细胞的分析、基因表达分析和表型筛选等领域中创造更经济适用的方法,同时发挥出更大的作用,这些方法也将改变全球医疗保健研究。(生物谷Bioon.com)

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