微流控芯片技术是生物医学领域的重要前沿方向,具有高通量、多靶点、快速、精准、操作简便等特点,可广泛应用于分子生物学、医药、免疫等领域.近日,复旦大学孔继烈教授就微流控技术以及其团队在微流控技术产业化方面的进展做了详细报告.

 

        孔继烈教授简介:

 

        男, 1964年生,1983-1993年分别获复旦大学学士、硕士和博士,1996-1998年分别在美国肯塔基州路易威尔大学和康州州立大学做博士后.

 

        复旦大学教授、博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者,复旦大学生物医学研究院PI,教育部创新科学仪器工程研究中心主任.在化学/生物传感器及微流控芯片分析系统、荧光检测仪器研制等领域取得有影响的成果,先后主持基金委重点/面上项目、"973"子课题、"863"项目等.已在包括J.Am.Chem.Soc.,Angew.Chem. Int. Ed. Anal.Chem. ACS Nano等知名学术刊物发表SCI论文330余篇,被同行引用12500余次,获得国家发明专利40余项.任《Am. J. Anal.Chem.》、《分析化学》、《分析科学学报》、《分析仪器》、《电化学》等刊物编委,中国仪器仪表学会电分析化学专业委员会副主任、化学传感器专业委员会委员.

 

从"庙堂之高"的基础研究到"江湖之远"的技术发明

 

        科学仪器的源头是分析化学专业,但其更多的应用在生物医药以及诊疗等领域.近年来,"精准医学"概念的出现,更是急切呼唤创新分析测量技术与仪器."精准医学"的最核心的部分是"精准的诊断",这也是新药研发及提出新兴治疗方案的前提.作为生物医疗领域的前端,像现在非常热门的靶向诊疗(诊疗一体化),要求首先在诊断层面明确知道是什么原因导致疾病的发生.无论是常见病症还是癌症,都需要微流控这样的技术出现.

 

        从宏观的层面来讲,无论是蛋白质水平相关仪器,还是核酸水平相关仪器,国产医疗器械市场占有率还很低.上海三甲医院,很多都在使用罗氏、雅培、西门子的设备.即便在生化水平,即小分子的诊断设备,国内虽有很多公司在做,但是与世界上先进设备相比,仍有很大的差距.

 

        从学科角度来讲,微流控技术衍生于分析化学,而无论从学科知识的构成,还是人才培养,都是多种相关学科交叉的结果.仪器的产业化是一个系统工程,要集聚非常多的交叉学科的人才,单纯依靠分析化学或者微流控技术,都不能完成一台整体的集成化设备的制造.因为这还涉及到软、硬件支持,材料学,多种加工工艺,以及越来越多的新技术(如3D打印等技术).此外,还要有生物医学、创新诊断方法学等多方面的共同结合.

 

        作为高校,要集聚这么多人才进行同一个项目,非常困难.因此,国家也在鼓励创业平台,将不同领域的专业人才聚集起来,共同进行仪器的研发生产.目前,孔继烈教授与他之前指导毕业的博士们正在做这件事.

 

        微流控领域存在的"多、少"问题

 

        目前,微流控技术,尤其是微流控领域的产业化还有很多问题,主要包括以下几个方面:

 

1、进口多,国产少.

 

        首先涉及到的很多器件,如光学器件、光电转换器件等,大部分性能很好的器件多来自美国、日本等国家.因此不单是整机的技术缺乏,上游的零部件技术也很缺乏.从整体来讲,现状是蛋白质、核酸检测的二类医疗器械,无论是化学发光还是电化学发光设备,大部分是罗氏、梅里埃等公司的.

 

2、上游多,下游少

 

        "上游多,下游少"是指在研究过程中,大部分研究者做的是上游方法学的研究,虽然很前沿,反映了这个学科发展最新的聚焦点,但是往下延伸的比较少.很多微流控方向的研究生,发了很多SCI文章,之后就不了了之了.

 

3、前端多,后端少

 

        研究人员可以做方法,做技术,甚至可以搭一个装置,但是没有办法定型,也没有办法做质控的标准.比如从计量的角度,这个产品怎么检验?怎么能达标?企业标准,行业标准,甚至国家标准,这些标准全面缺乏.当然这不是一家单位就能做的,需要行业内多家单位协同完成.

 

4、器件多,集成少

 

        早些时候,很多实验室可以自行搭一台装置.例如最早在实验室做微流控,用数字化的光谱仪、光纤和光电检测器件组装而成.但是,这不是一台完整的仪器,因为无法在同一个软件中发送指令进行信号提取、信号处理和出具结果等等,这和仪器是有距离的.

 

离心式微流控芯片核酸检测仪的技术及应用

 

        离心式微流控芯片核酸检测仪(原型机)是孔继烈教授团队研制的第一代微流控设备,包括芯片系统、温度控制系统、高速旋转系统、光电检测系统等模块.研发目标是实现核酸的提取和扩增放在同一个芯片中完成,这在第一代原型机还无法实现.

 

        2017年,孔教授团队开始第二代产品开发,在光路、电路、信号放大、离心盘的可控性等方面进行了优化,可实现在同一个检测平台上做多种需求的靶点数、样本数的检测,如8个靶点4个通道或4个靶点8个通道或2个靶点16个通道的盘.

 

        第二代设备叫做核酸检测一体机,孔教授团队正在将一体机做成三类医疗器械——将来可以和医院检验科对接的设备,在30分钟内完成样本前处理,包括细胞的破碎,DNA的释放,原位扩增及检测.对于传统PCR 检测是革命性的突破.

 

        从方法学的角度来讲,该设备融合了很多基础研究的成果,包括蛋白质、DNA的纳米分子诊断技术、微流控驱动技术、集成技术、区域精准控温技术、高敏荧光检测技术、微流控盘快/慢速切换技术,可实现多模块集成工作.

 

        该设备的应用方向十分广泛,包括公共卫生、食品安全、检验检疫、以及基于微流控的免疫抗原抗体反应等等.已开发的典型的应用案例如下:

 

        1、8种不同种属肉的同时溯源,特异性和灵敏度非常高.

     

        2、非洲猪瘟特异性检测,可做到高通量现场快速筛查,灵敏度达到10个拷贝.

 

        3、转基因大豆检测,可以很快完成多种转基因亚型的溯源.

 

        4、降钙素原(PCT)微流控免疫检测,是针对临床感染的蛋白质指标的新型检测方式,目前检测灵敏度显著高于传统同类仪器.