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国内微流控技术:IVD产业最早迎收获期

来源:动脉网 2020-01-15 12:29

 

 

微流控技术的诞生,是研发人员对自动化以及效率的最大化追求。

上世纪50年代末,美国诺贝尔物理学奖得主Richard Feynman教授预见未来的制造技术将沿着从大到小的途径发展,他在1959年使用半导体材料将实验用的机械系统微型化,从而造就了世界上首个微型电子机械系统(Micro-electro-mechanical Systems,MEMS),这成为了未来微流控技术问世的基石。

从微流控的定义上来讲,真正微流控技术的问世是在1990年。瑞士Ciba-Geigy公司的Manz与Widmer应用MEMS技术在一块微型芯片上实现了此前一直需要在毛细管内才能完成的电泳分离,首次提出了微全分析系统(Micro-Total Analytical System,ì-TAS)即我们现在熟知的微流控芯片。

Manz与Widmer最初进行微流控尝试时,是为了提高分析能力,但实际微流控芯片概念被提出后,研究人员很快意识到器件尺寸的减小会带来很多的好处。

微流控的“微”是指实验仪器设备的微型化(尺寸为数十到数百微米);“流”是指实验对象属于流体(体积为纳升到阿升);“控”代表着在微型化设备上对流体的控制、操作和处理。

它属于一种底层技术,交织着化学、流体物理、微电子、新材料等多门学科知识,从理论上说任何流体参与的实验,都应有微流控技术的一席之地。

而微流控芯片则是微流控技术的下游应用单元,通过MEMS技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统,从而实现对无机离子、有机物质、蛋白质、核酸以及其他特定目标对象的快速、准确的处理和检测。它将需要在实验室进行的样品处理、生化反应和结果检测等关键步骤都汇聚到了一张小小的芯片上进行,故又被业界誉为“芯片实验室”。

从1990年Manz与Widmer开发了芯片上进行的毛细管电泳后,科学界和产业界都纷纷介入到这一新兴领域进行以毛细管电泳为主要应用对象的各种微流控芯片研发。两年后,安捷伦、岛津、日立等医疗器械公司都完成相应的微流控产品/系统的研发,并将其投入市场。

1994年,美国橡树岭国家实验室的研究人员Mike Ramsey在Manz与Widmer的原有研究基础上,改进了芯片毛细管电泳进样方法,提高了其性能。

同年,世界首届国际微全分析系统学术会议在荷兰Enschede举行,微流控芯片全面进入大众视野。次年,全球首家专门从事微流控芯片技术的公司Caliper Life Sciences在美国马萨诸塞州成立。

从1995年首家微流控技术公司诞生开始,微流控芯片正式开启了商业化、产业化之路,芯片的快速模板复制法PDMS、芯片的软光刻微阀/微泵被相继提出,首台微流控芯片商品化仪器在1999年被安捷伦公司和Galiper公司联合推出,被应用于生物分析和临床分析领域。

在国外已经发展了十年的微流控技术,直到了二十一世纪初才正式进入中国,伴随着体外诊断(IVD)产业在中国的逐步兴起,微流控在近几年才逐步被人熟知。

研制技术百花齐放

打响微流控赛道第一枪的是《Lab on a Chip(芯片实验室)》。该刊创建于2001年,专门用于收录微流控技术研究类文章。一年后,中国迎来了首次以微流控为主题的学术会议,即北京举办的首届全国微全分析系统会议,实现微流控芯片大规模集成。

中国对微流控的研究起步于此,从2002年开始,国内逐渐兴起了微流控相关专利产品申请的浪潮,截止到2012年,年申请量已经达到100个,2016年达到最高峰,年相关专利产品申请总数突破600件;随后年专利申请数有些降低,但每年依然保持在400件以上。同时,中国科学家在微流控技术领域发表的论文数已居世界第二,微流控相关专利产品申请数量也仅次于美国。

21世纪以来国内外微流控相关论文/专利每年发表/申请数量统计示意图(动脉网绘制)

伴随着对微流控技术逐年深入的研究,人们在微流控材质选择、工艺技术等相关领域上也有了更深入的探索。

从微流控的制作材料上讲,半导体材料硅材料是制备微流控芯片的首选材料,但由于微流控芯片应用场景的不断拓展,硅材质不能耐受高压,且不能兼容光学检测技术,故被抛弃。

随之迎来的是玻璃材质的微流控芯片。玻璃材质能够达到良好的电渗性质和光学性质,理论上是完美的微流控芯片制作材料,但是玻璃材质不易于光刻和蚀刻,制作工艺复杂费时,且成本昂贵,导致其不能大规模推广。

对比之下,高分子材料体现出了优势,高分子聚合物加工简单、原材料便宜,且具有良好的绝缘性、耐高压性、热稳定性、生物兼容性、气体通透性、弹性模量低等特点,能广泛应用于毛细管电泳微芯片、生化反应芯片、多种光学检测系统中。

以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为代表的有机高分子聚合物成为了目前微流控芯片制作的热门材料。

另外,在制作工艺方面,目前广泛应用于微流控芯片制作的工艺有光刻技术、蚀刻技术、模塑法、热压法、LIGA技术、激光烧蚀技术和软光刻法等,具体操作就不展开陈述。

微流体操纵技术是制作的最后一步,选择不同的力对流体进行控制意味着微流控芯片最终呈现的千差万别。目前最常见的是盘式微流控芯片,1998年由L.James Lee教授提出(离心微流控CD-ELISA技术)。

除了盘式微流控芯片之外,其他主流的微流控芯片还包括数字化微流控芯片、管道连续流芯片、滴液系统芯片。因其应用场景的不同,控制流体的“力”不同,最终导致了形态上的差异。

数字化微流控芯片像纸片一样体积轻薄,常以电磁场等外力作为流体驱动力;管道连续流芯片在CTC细胞领域应用多,能对血液中特定细胞进行选择性技术识别和捕获、高通量筛选,通常以毛细管力驱动;滴液系统芯片以离散化微液滴操控,适用于数字PCR和二代测序等单细胞分析中。

此外还有一种纸基微流控芯片,采用纸张作为基底替代硅、玻璃、高聚物等材料,驱动力主要依靠纸内部纤维的毛细作用力。

聚焦体外诊断领域

十余年的发展,微流控技术早已从最初的毛细管电泳应用,开始探寻它更多的应用途径。微流控芯片因其具有强大的集成性,能够同时大量并行处理各种样本,具备分析快、耗能少、污染低等特性,出现在了生物医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂的检测等多种应用场景。

在这众多的应用场景中,微流控与体外诊断有着更深的关联。早在2002年,从首届微流控学术会议开始,我国就为研究微流控技术的相关公司每年提供数千万人民币的资金支持,促进国内微流控技术的发展。

2016年7月28日,国务院印发了《“十三五”国家科技创新规划》,明确提出“体外诊断产品要突破微流控芯片、单分子检测等关键技术,开发全自动核酸检测系统等重大产品,研发一批重大疾病早期诊断和精确治疗诊断试剂以及适合基层医疗机构的高精度诊断产品。”

随后,科技部印发了《“十三五”生物技术创新专项规划》,明确将微流控芯片纳入了新一代生物检测技术当中,并称其为颠覆性技术。

微流控与体外诊断的绑定从政策层面得到了认证,国内近90%研发微流控芯片的公司都是将其应用到体外诊断领域。

除了政策驱动之外,体外诊断领域成为微流控细分市场中占比最大部分,还离不开近几年体外诊断领域的迅猛发展。

我国IVD行业在2017年至2019年三年的复合增长率达到18.7%,2018年IVD市场规模达到604亿元,预计2019年的IVD市场规模将超过700亿元。IVD领域带动起底层技术的创新,成为微流控技术最先落地的产业。

目前,体外诊断领域根据细分市场占比由大到小可以依次分为免疫诊断、生化诊断、分子诊断POCT、血液诊断、微生物诊断以及其他。

根据微流控芯片微型、高效、低成本等特性,在IVD细分赛道中赋能POCT行业的比重最大,POCT诊断设备对微流控芯片的需求也在不断递增,POCT将成为微流控产业发展的最大驱动力。

根据Yole分析师最新数据统计显示,2019年全球微流控产品市场规模达到99.8亿美元,微流控设备市场达到34.8亿美元,2019至2024年期间的微流控产品市场复合年增长率高达11.7%,微流控产品市场复合年增长率为10.8%,预计2024年,微流控产品市场将达到173.8亿美元,微流控设备市场将达到58.1亿美元。

面对如此大的一个市场,资本定然也不会错过。动脉网调研了目前国内有涉及微流控技术研发的近50家企业,统计了他们从2015年开始获得了的融资笔数和轮次。(注:未披露的融资信息不纳入统计当中,基于26家企业的有效信息的统计结果。由于融资金额大多公司未披露,故未统计融资金额近年来变化。)

从2016年开始,平均每年有10笔以上的融资投入了涉及微流控技术的相关企业,以A轮附近(包括pre-A和A+轮)居多。在2019年,是微流控技术迎来收获的一年,有四家涉及微流控技术的体外诊断企业完成了约亿元人民币的融资,分别是融智生物、旌准医疗、新格元生物和岚煜生物。

其中,融智生物的“微流控核酸定量分析平台QuanPLEX”是一个基于荧光定量PCR技术的微流控基因检测平台,已经开发了三项检测应用,分别是QuanPLEX食源性致病菌快速鉴定系统、QuanPLEX禽流感病毒检测系统和QuanPLEX呼吸道病原体检测系统;

旌准医疗主要关注IVD领域里分子诊断,建有实时荧光定量PCR”、“第一代Sanger测序”、“第二代高通量NGS测序”、“毛细管电泳片段分析”荧光原位杂交和微流控芯片六大分子诊断技术平台,并与中科院上海微系统与信息技术研究所签订了有关微流控芯片技术方面的合作协议;

新格元生物专注于开发新一代分子诊断工具——海量单细胞测序,并在今年年初推出了首款海量单细胞测序产品“新格元GEXSCOPE?海量单细胞RNA测序产品”,产品包括自主开发的微流芯片,所有配套试剂以及生物信息分析软件的整体解决方案;

岚煜生物的亮点在于首创了主动式微流控技术平台,该平台能够对临床全血样本可以在5min内给出精确检测结果,目前已经建立了免疫快速诊断平台、手持电化学凝血平台、核酸全自动快速诊断平台等研发平台。

不仅如此,2019年在微流控技术领域还有一件大事——微点生物在新三板上市。微点生物是一家专业从事医疗领域体外即时检测(POCT)设备及配套生物诊断检测试剂卡的研发、制造与销售的企业。

该公司在微流控生物检测试剂卡所涉及的多项技术领域拥有13 项发明专利,主要有mLabs及qLabs两大技术平台,mLabs用于检测心脏标志物和感染标志物,qLabs则是检测PT/INR、APTT、PT/APTT以及PT/APTT/FIB/TT四类项目,实时监测服药患者凝血状态。(生物谷Bioon.com)

 

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