微流控技術(shù)及其在IVD領(lǐng)域的應(yīng)用

（原創(chuàng) 2023-08-10 CMDE 中國器審）

　　微流控技術(shù)^[1]（Microfluidics）指的是使用微管道（尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米）處理或操縱微小流體（體積為微升到納升）的系統(tǒng)所涉及的科學(xué)和技術(shù)，是一門涉及化學(xué)、流體物理、微電子、新材料、生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程的新興交叉學(xué)科。微流控的早期概念可以追溯到19世紀70年代采用光刻技術(shù)在硅片上制作的氣相色譜儀，而后又發(fā)展為微流控毛細管電泳儀和微反應(yīng)器等。

　　因為具有微型化、集成化等特征，微流控裝置通常被稱為微流控芯片，也被稱為芯片實驗室（Lab on a Chip）和微全分析系統(tǒng)（micro-Total Analytical System）^[1]。微流控芯片采用類似半導(dǎo)體的微機電加工技術(shù)在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng)，將實驗與分析過程轉(zhuǎn)載到由彼此聯(lián)系的路徑和液相小室組成的芯片結(jié)構(gòu)上，加載生物樣品和反應(yīng)液后，采用微機械泵、電滲流等方法驅(qū)動芯片中緩沖液的流動，形成微流路，于芯片上進行一種或連續(xù)多種的反應(yīng)^[2]。采用熒光、電化學(xué)、質(zhì)譜等分析手段，對樣品進行快速、準確和高通量的分析。

　　一、微流控技術(shù)的分類

　　在微流控技術(shù)中，微流體驅(qū)動和控制技術(shù)是實現(xiàn)微流體控制的前提和基礎(chǔ)，其控制方式種類眾多，采用的原理和形式也不盡相同。根據(jù)微流體驅(qū)動方式不同，微流控技術(shù)主要分為兩類：主動型微流控和自趨式微流控^[3]。

　　主動型微流控是利用外源性驅(qū)動力（包括壓力、離心力、磁力、電潤濕等）進行微流體操控的方式。壓力式微流控是利用氣壓或液壓或氣液壓混合，來控制液體在芯片中的運動。離心式微流控一般為對稱盤式構(gòu)型，利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力來驅(qū)動液體在芯片中的運動。磁力式微流控是利用磁場來控制流體中的磁性物質(zhì)，以驅(qū)動流體的運動。數(shù)字化微流控一般基于電潤濕的基本原理，以多種方式操縱液滴，構(gòu)建電極陣列，實現(xiàn)復(fù)雜的生化分析。

　　自驅(qū)式微流控通常是指利用表面親疏水特性或毛細力來進行流體的輸運與處理的方式。其特點是自驅(qū)動、無需額外泵源和能源。

　　二、微流控芯片技術(shù)的特點

　　基于微機電系統(tǒng)（MEMS）發(fā)展而來的微流控芯片技術(shù)，被譽為改變未來的七種技術(shù)之一，相比于傳統(tǒng)方法其技術(shù)有如下優(yōu)勢^[4]：

　　（一）集成小型化與自動化

　　微流控技術(shù)能夠把樣本檢測的多個步驟集中在一張小小的芯片上，通過流道的尺寸和曲度、微閥門、腔體設(shè)計的搭配組合來集成這些操作步驟，最終使整個檢測集成小型化和自動化。

　　（二）高通量

　　由于微流控可以設(shè)計成為多流道，通過微流道網(wǎng)絡(luò)可以同時將待檢測樣本分流到多個反應(yīng)單元，同時反應(yīng)單元之間相互隔離，使各個反應(yīng)互不相干擾，因此可以根據(jù)需要對同一個樣本平行進行多個項目的檢測。與常規(guī)逐個項目檢測相比，大大縮短了檢測的時間，提高了檢測效率，具有高通量的特點。

　　（三）檢測試劑消耗少

　　由于集成檢測的小型化，使微流控芯片上的反應(yīng)單元腔體非常小，雖然試劑配方的濃度可能有一定比例的提高，但是試劑使用量遠遠低于常規(guī)試劑，大大降低了試劑的消耗量。

　　（四）樣本量需求少

　　由于只在幾厘米大小的芯片上完成檢測，因此需要被檢測的樣本量需求非常少，往往只需要微升甚至納升級別。同時由于其高通量的特點，對一次采集的樣本就可以實現(xiàn)多項測試，因此對于不易獲取的樣本檢測更加具有優(yōu)勢。

　　（五）污染少

　　由于微流控芯片的集成功能，原先在實驗室里需要人工完成的各項操作全部集成到芯片上自動完成，使人工操作時樣本對環(huán)境的污染降低到最低程度。例如在分子核酸類檢測中，氣溶膠的擴散使得后續(xù)樣本檢測容易出現(xiàn)假陽性，微流控技術(shù)的使用很好的解決了這一問題。

　　同時，微流控芯片技術(shù)仍存在以下的不足：

　　（一）核心技術(shù)缺乏規(guī)范和標準

　　在微流控的產(chǎn)業(yè)化中，由于技術(shù)還不太成熟，產(chǎn)品缺乏相應(yīng)的標準化和規(guī)范化，目前還沒法實現(xiàn)組件的通用化。這樣也就沒法形成上下游公司合作式的開發(fā)模式。

　　（二）生產(chǎn)成本高昂

　　微流控產(chǎn)品本身就是結(jié)合微機電加工、生命科學(xué)、化學(xué)合成、光學(xué)工程及電子工程等許多領(lǐng)域?qū)W科的新產(chǎn)品，技術(shù)要求高，開發(fā)周期較長，導(dǎo)致生產(chǎn)成本升高。

　　（三）技術(shù)難題

　　比如對于微流控免疫分析芯片系統(tǒng)，抗體的固定、對微通道表面的封閉，顯著影響免疫分析的靈敏度，是該類芯片需要重點解決的問題。

　　另外，微流控芯片與外圍設(shè)備如自動分析、顯示設(shè)備等的集成化也是需要重點攻克的難題。

　　三、微流控芯片與生物芯片的區(qū)別

　　微流控芯片指的是在一塊幾平方厘米的芯片上構(gòu)建化學(xué)或生物學(xué)實驗室，它可以把所涉及的化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域中的樣品制備、反應(yīng)、檢測，細胞培養(yǎng)、分選、裂解等基本操作單元集成到這塊很小的芯片上，用于完成不同的生物學(xué)和化學(xué)反應(yīng)過程，并通過由微通道形成的網(wǎng)絡(luò)，使微流體貫穿整個系統(tǒng)，用以實現(xiàn)常規(guī)化學(xué)或生物學(xué)實驗室的各種功能。

　　生物芯片（biochip或bioarray）是根據(jù)生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成于芯片表面，從而實現(xiàn)對DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)以及其他生物成分的高通量快速檢測。狹義的生物芯片概念是指通過不同方法將生物分子固著于硅片、玻璃片、凝膠等固相遞質(zhì)上形成的生物分子點陣。因此生物芯片技術(shù)又稱微陣列列（microarray）技術(shù)^[7]。

　　微流控芯片是以微量流體的精確控制為核心技術(shù)，而生物芯片是以靜態(tài)的親和反應(yīng)配對為核心技術(shù)。從原理、應(yīng)用及發(fā)展目標上看，它們都是芯片實驗室，但它們各有自己的特點，它們分屬于不同的學(xué)科體系以及技術(shù)領(lǐng)域。在實際的研究和應(yīng)用當(dāng)中，各概念所涉及的技術(shù)往往是相互交叉的，例如生物芯片可單獨使用也可作為微流控芯片的一種檢測技術(shù)。    

　　四、微流控芯片在體外診斷領(lǐng)域的應(yīng)用

　　目前體外診斷是微流控技術(shù)的最大的應(yīng)用場景。國內(nèi)外體外診斷技術(shù)主要表現(xiàn)為自動化、快速化、超高靈敏度、高通量檢測和無創(chuàng)化、微創(chuàng)化的發(fā)展趨勢。

　　（一）生化、免疫診斷檢測中的應(yīng)用

　　體外生化診斷檢測原理主要基于酶動力學(xué)檢測，依靠酶催化底物產(chǎn)生信號。微流控芯片高通量及微型化的特點，可以解決生化檢測項目多、樣本消耗量大、試劑成本高等問題。目前，商品化的微流控生化分析芯片主要以離心式微流控芯片為主。將生物化學(xué)檢測中所涉及的全血標本加樣、分離、定量、稀釋、反應(yīng)、檢測等基本操作步驟集成在微芯片上，以微通道網(wǎng)絡(luò)連接各個反應(yīng)腔室，通過離心力、毛細管力及虹吸閥等實現(xiàn)對流體的精確控制^[6]。

　　免疫檢測主要是基于抗原抗體的特異性生物識別機制進行檢測，本身具有較高的特異性。有研究發(fā)現(xiàn)，在微流通道內(nèi)，當(dāng)流體動力強度在0.1～10pN 時可以分裂抗原抗體的非特異性結(jié)合，而在6～250pN 時仍然可以保留抗原抗體的特異性結(jié)合^[8-10]，同時微流控技術(shù)平臺進行的微流控分析所需試劑量極小，大大降低了抗體等昂貴免疫試劑的消耗。此外，微納尺度的流體操控與集成，不僅提高了抗原與抗體反應(yīng)的速度、有效縮短了反應(yīng)時間，并極大地簡化了免疫分析的操作過程。因此，微流控免疫分析技術(shù)在提高體外診斷檢測的特異性、靈敏度、精確性等檢測性能方面具有巨大的潛在應(yīng)用價值^[5]。

　　（二）分子診斷檢測中的應(yīng)用

　　分子診斷在目前精準檢驗醫(yī)學(xué)所占的比重越來越大，腫瘤的轉(zhuǎn)移復(fù)發(fā)、靶向藥物的篩選、胎兒的產(chǎn)前診斷等均有賴于分子診斷。而在微流控芯片方面，核酸擴增技術(shù)同樣也發(fā)展最為成熟，基于不同類型的核酸擴增方法均有大量報道，包括實時熒光定量PCR芯片、逆轉(zhuǎn)錄PCR芯片、液滴PCR芯片、數(shù)字PCR芯片等，以及基于恒溫擴增技術(shù)的環(huán)介導(dǎo)等溫擴增、滾環(huán)擴增、重組酶聚合酶擴增等手段的微流控芯片。在數(shù)字微流控芯片中少量的模板DNA和試劑被封裝在液滴或微孔內(nèi)，允許在相對傳統(tǒng)DNA擴增方案（例如PCR）更短的時間內(nèi)分析珍貴的核酸樣品。目前微流控芯片已實現(xiàn)了分子診斷領(lǐng)域大部分的技術(shù)方法，包括基因分型、基因突變、單核苷酸多態(tài)性位點檢測、疾病相關(guān)微小RNA檢測，DNA測序等^[4]。

　　五、相關(guān)產(chǎn)品的注冊審評情況

　　目前經(jīng)注冊審評的產(chǎn)品主要包括基于不同芯片檢測方法的試劑，以及配套芯片使用的檢測設(shè)備。芯片類試劑主要集中為境內(nèi)注冊，目前已批準境內(nèi)三類試劑40余項，由國家局批準上市的芯片檢測相關(guān)的設(shè)備（境內(nèi)、進口）共約10余項。境內(nèi)二類產(chǎn)品100余項。

　　早期的芯片試劑類產(chǎn)品均為生物芯片，主要用于核酸和蛋白的檢測，試劑以微陣列等形式提前包被在芯片中，如采用核酸雜交芯片或蛋白芯片進行多項基因或抗體的檢測。我中心于2013年發(fā)布《生物芯片類檢測試劑注冊審查指導(dǎo)原則》對該類產(chǎn)品進行注冊指導(dǎo)。

　　隨著微流控技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多不同微流控形式的試劑申報注冊，并經(jīng)批準上市。有微陣列芯片、雜交芯片、PCR擴增芯片、碟式芯片、毛細管電泳、電化學(xué)基因芯片等。申報的試劑檢測主要涵蓋病原體檢測、基因分型、基因多態(tài)性、遺傳基因、以及腫瘤標志物的檢測；配套的檢測設(shè)備主要集中在恒溫擴增芯片分析儀、數(shù)字PCR分析儀、生物芯片閱讀儀等類別。

　　目前國內(nèi)產(chǎn)品的自動化和微流控程度較低，主要產(chǎn)品類別仍舊集中在微流控程度不高的生物芯片、以及采用簡單離心方法進行控制的PCR芯片，對配套設(shè)備的要求不高。

　　六、審評思考及提示

　　對于不涉及液路系統(tǒng)的生物芯片，參照其他試劑進行整體的分析性能評價。對于存在微流控的芯片，針對碟片式芯片，需另外考慮轉(zhuǎn)速和離心力。針對其他液路控制的芯片，考慮液路管徑、流速、壓力等因素。還有些芯片中未包被試劑，此時芯片不做為試劑管理，試劑的申報資料中應(yīng)對配套使用的芯片進行選擇研究。

　　對于主動型芯片，即微流控過程完全由芯片自動實現(xiàn)，配套設(shè)備參照常規(guī)設(shè)備產(chǎn)品要求；對于被動型芯片，即微流控過程由配套設(shè)備施加外部動力來實現(xiàn)，需要結(jié)合外部動力的實現(xiàn)原理，評價相應(yīng)的機械定位、壓力、磁力等相關(guān)因素。