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打造医疗微芯片使诊断遗传疾病变得更加简单

导读: 日本冲绳科学技术研究所化学工程师Amy Shen介绍说,解决这些问题需要跨学科的方法。回报则是实验室成本和时间上的节约,以及加速遗传和传染性疾病诊断的医疗设备的出现。

医疗微芯片可被用于微流体系统,以分析来自单细胞样本的基因组信息。图片来源:Fluidigm

美国加州大学洛杉矶分校Dino Di Carlo实验室的生物工程师每天有很多时间都裹在从头到脚的衣服中,看上去有点像得了黄疸。工程师在一间无尘室中工作。

房间里,过滤后的空气稳定地流动着,将微粒去除。蓝色或者紫色的光线使他们用的光感材料变硬,因此工程师将房间里的灯光限制为奶黄色。

他们和这个领域的其他人正在构建用于制备血液和其他流体样本的工具以诊断基因变异物,比如癌症细胞所携带的突变。很少有此类工具需要无尘室,但这些工具取决于流体穿过通道的能力。然而,通道是如此的小,以至于一粒尘埃都可能将其堵塞。这个技术开发领域被称为微流控技术。理论上,这些封装在和显微镜载片大小相当的芯片中的分析物会带来快速、自动诊断:样本进去,答案出来;整个过程是如此简单,以至于新手也会使用它。不过,在实践中,这些设备极少以这种方式运作。通常,对样本的一些预处理是需要的。

打造医疗微芯片使诊断遗传疾病变得更加简单

诸如Di Carlo等研究人员正在解决这些短板以便使芯片更容易生产,并且尝试利用各种材料和设计。他们正在应对诸如预测流体在狭小空间内的行为、确定如何让芯片变得高效且廉价等挑战。日本冲绳科学技术研究所化学工程师Amy Shen介绍说,解决这些问题需要跨学科的方法。回报则是实验室成本和时间上的节约,以及加速遗传和传染性疾病诊断的医疗设备的出现。

制造3D芯片

制造微芯片的大多数技术产生的是二维设计。但有些时候,三维结构非常有用。在Di Carlo正在进行的芯片设计中,他利用磁场将液体从狭窄的通道中吸出然后注入更高、更宽的通道中。随着液体开始在较大的腔室内扩散,表面张力使其形成一个作为液滴存在的球体。“现在,这基本上是一个纳升的吸液管,因此不可能手动操作。”Di Carlo介绍说。这种分割使芯片得以将血液等液体分进多个独立的反应室中,从而使很多测试能同时开展。

为制造3D芯片,科学家通常不得不将连续多层聚合物堆进光刻模具中。不过,一种入门级方法的设计者表示,3D打印正在改变这一切,因为它既不需要很多经验,也不需要很多设备。荷兰瓦赫宁根大学化学家Vittorio Saggiomo偶然萌生了这个想法。Saggiomo利用3D打印获得了诸如小照明灯、移液管把手等塑料工具以及鸟舍等有趣的东西。有一天,他将3D打印的星球大战头盔淹没在丙酮中以便让表面变得平缓。但由于放在里面的时间过长,整个头盔被溶解了。Saggiomo意识到,他可以用相同的方法形成微通道。

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