标签: 微流控芯片

POCT概述 POCT，即时检验，指在患者身边直接进行诊断，快速得到检验结果的一种新技术。 广义的POCT仪器需直接置于家庭、社区、事故灾害现场或资源匮乏地区的被检对象身边，满足突发事件或公共健康需求。 POCT技术具有快速、易使用、节约综合成本等优点。 随着POCT技术的不断发展，其全球市场规模也在迅速增长。根据《Global Point of Care Testing Market Outlook 2022》数据显示，2022年全球POCT市场规模预计将达到300亿美元。国内POCT市场起步较晚，整体市场规模较小，具有巨大的潜在发展空间。据统计，国内POCT市场规模约占体外诊断市场的10%以上，增速超过20%。 POCT技术的发展经历了从定性、半自动定量、到半定量产品，再到全自动定量产品四个发展时代，精密度与自动化程度逐渐提升。 而微流控的兴起无疑使PCOT技术迎来了新的春天。 微流控芯片技术作为一种分析化学平台，具有耗样量低、分析速度快、高灵敏度和高分辨率等优势，还可以将样品处理、分离、反应等与分析相关的过程集成在一起，大大提高了分析的效率。在POCT领域， 微流控芯片可直接在被检对象身边提供快捷有效的生化指标，使现场检测、诊断、治疗成为一个连续的过程。 2017年，中国国家科学技术部将微流控芯片技术定义为一种“颠覆性技术”。 MicrfluidicChipShop 芯片应用实例 作为微流控芯片技术世界领先的企业，Microfluidic ChipShop公司设计制造的微流控芯片在多领域得到了广泛的应用。2021年，来自意大利国家研究委员会Nello Carrara应用物理研究所的研究人员报道了一种基于Microfluidic ChipShop微流控芯片集成的快速灵敏检测免疫抑制剂的光学设备，使 器官移植患者治疗性药物的连续监测成为可能。 该装置由一个光电系统组成，该系统包括一个激发和检测模块以及一个用于处理样品的流体回路，并配备了一个永磁体移动系统。该设备的核心是进行 基于荧光的生物测定 的部分，是一种具备10个独立微流体通道的聚合物微流控芯片，可以 同时测量不同的免疫抑制剂 。每个微流体通道通过光纤与照明系统集成，然后通过滤光片与光电二极管耦合。芯片底部与十个永磁体阵列相连。 POCT系统核心分解图 在集成光学装置内 进行免疫抑制剂测定的步骤如下： 利用混合芯片将含有免疫抑制剂的灌流液/微透析液与携带免疫抑制剂特异性抗体的荧光磁性颗粒混合并孵育； 将混合样品/荧光磁性颗粒按顺序泵入芯片的不同微流体通道中，通道底部 的此贴靠近芯片移动，未与免疫抑制剂结合的颗粒上的抗体与固定在微通道表面的免疫抑制剂相互作用； 将磁铁从芯片上移开，并在每个微流体通道中用缓冲液进行清洗，在此步骤中，未与通道表面上的分析物相互作用的抗体和荧光磁性颗粒被洗掉； 同时对所有微流体通道进行荧光测量； 测量后，对通道表面进行再生，然后用缓冲液清洗并在所有流体内部抽气，以确保每次测量的起始条件相同（每个样本）。 作为Microfluidic ChipShop中国区域的认证授权代理商， 点成生物携手MicrofluidicChipShop，为用户在生命科学、医学诊断及分析化学等领域提供优质的微流控产品及高效解决方案服务 ，欢迎各位对微流控芯片技术感兴趣的老师垂询。 我们专注于生命科学、温度控制、临床应用、微流控等领域，重点包括水浴、摇床、混匀器、离心机、微流控芯片等产品，致力于生物科技领域产品和解决方案。

微流控技术 是指把化学和生物等领域中涉及的 样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解 等 基本操作单元 集成到 一块几平方厘米甚至更小的 芯片 上 ，由 微通道 形成网络，以 可控流体 贯穿整个系统，用以实现常规 化学、生物、材料、光学 等不同实验室的各种功能的一种技术。在过去的20年里，微流体技术的应用得到大幅增长，从通过 液滴生成技术 在单个液滴中进行数百万次反应 到 利用“器官芯片”进行药物筛选和疾病诊疗 等。 Microfluidic 是 点成Cellix 提供的一套 微流控技术集成系统 。本文将简要介绍该系统的应用原理和领域。 点成Microfludic系统的应用 液滴生成 液滴生成的应用范围广泛，不仅限于 药物发现和诊断 ，还涉及 食品和化妆品生产 等领域和 工业应用 。液滴生成技术有助于 节省成本 ，对于 高通量单细胞分析 等领域具有明显优势。 液滴是如何生成的呢？ 液滴是通过在具备某种 几何形状的微流控芯片 中使用 微流控泵 精确控制 不混溶的液体 （通常是 水基 和 油基 ）来生成的。微流控芯片的几何形状通常包括 交叉流 （cross flow）、 流动聚焦 （flowfocusing）、 同流聚焦 （Co-Flow focusing）等。 如何进行液滴生成实验？ 一般来说，要执行液滴生成实验，您需要：2个用于连续相和分散相的 流量控制的微流体泵 （或1个泵上的2个通道），2个用于 实时反馈 油相和水相流量的 流量传感器 ， 微流控芯片 ， 液滴 ， 表面活性剂 ，将微流控芯片与泵连接的 管道 。 点成Microfluidic利用 压力泵 （上）和 注射泵 （下）在 流动聚焦 装置 中生成 油包水液滴 。 器官芯片 器官芯片是 微流控芯片 中的一种，它能够 培养模拟人体器官一些关键功能的细胞 。相较于传统的2D细胞培养，器官芯片在模拟人体器官 真实生理环境 上具有显著的优势，这对 药物研发 具有重要意义。另外，器官芯片的发展甚至有可能 消除动物实验 。 如何进行器官芯片研究？ 为了进行器官芯片研究，您需要模拟体内生理条件的 器官芯片 ，输送培养基或其他试剂的 微流体泵 ，主动反馈流量控制的 流量传感器 以及用于容纳培养基的 样品存储器 。通过在器官芯片中 培养细胞 ，这些 芯片 通过细胞培养瓶或其他容器 和流量传感器 连接到微流体泵 ，以确保 将培养基和其他试剂精确输送到芯片中的细胞 。 点成Microfluidic利用 压力泵单通道 进行芯片上的细胞培养

剪切力在生物学中起着重要作用。在这篇文章中，我们将探讨剪切应力对人体细胞的影响以及在细胞培养中适当应用的重要性。 一、什么是剪应力？ 在成年人体内水分高达60%。水储存在细胞内外，构成细胞内液和细胞外液。细胞外液主要可分为组织液和血浆；其他水基细胞外液包括淋巴液、脑脊液、滑液、胸膜液、心包液、腹膜液和眼液等。 只要有流体就会存在剪切力。在生物学和血管过程中，流体作用于细胞表面。例如，血流作为摩擦力作用于血管壁的内皮表面，产生剪切力。这种机械现象通过机械转导过程、调节细胞形态、增殖、分化、代谢、通讯和帮助形成屏障，对组织功能和生物反应有很大影响。那么，究竟什么是剪应力？ 剪应力(Ʈ)定义为切向力(F)作用在表面（面积=A）上时施加的机械力： Ʈ=F/A 对于具有恒定粘度的牛顿流体，剪切力取决于粘度(ɳ)和剪切速率(dv/dz) Ʈ=ɳ(dv/dz) 尽管剪应力的国际单位是帕斯卡(Pa)，但对于心血管系统和生物应用，剪应力更普遍使用dynes/cm 2 。1Pa=10dynes/cm 2 。 二、剪应力对细胞的影响 有许多种类的细胞不断受到流体剪切力的作用。例如血管和淋巴系统中的内皮细胞暴露于循环血液和淋巴液中。根据所处的环境不同，剪切力也可能会发生变化，在动脉中，其剪切力为30dynes/cm 2 ，而在静脉血管和毛细血管中，剪切力为1dynes/cm 2 。据研究表明，内皮剪切力会改变细胞骨架组织、细胞形状和基因表达，增加细胞内钙浓度，触发一氧化氮产生并产生肌动蛋白应力纤维形成的变化，在流动方向上对齐和重塑微丝网络。 另一方面，来自不同组织的上皮细胞也暴露于剪切应力。肾脏中复杂的肾小管网络具有过滤功能，每分钟可过滤120毫升，即每天180升。因此，每个肾单位的上皮细胞都暴露在肾小球滤液的剪应力下，其剪应力大约为0.1-1dynes/cm 2 。一些研究表明，肾近端小管上皮细胞在剪切应力存在下导致纤毛的形成。此外，与静止培养的肾上皮细胞相比，调节信号转导，改善上皮细胞结构，导致细胞体积增加，水通道蛋白、阳离子转运蛋白和离子通道极化更大。 肺泡周围的血管也不断受到血流剪切力的影响。然而，在肺泡毛细血管屏障的空气侧也会产生剪切力。在我们每次呼吸时，气道内衬的上皮细胞都会受到气流产生的剪切力的影响，在静止呼吸时为0.5-3dynes/cm 2 。这些力已被证明可以促进产生气道上皮屏障功能、粘液产生和纤毛搏动排列。 此外，在人体肠道中，由肠壁蠕动引起的消化液流动会影响消化管内壁的肠上皮细胞，其值为0.002-0.08 dynes/cm 2 。应用微流控芯片，可以发现流体流动和剪切力可加速肠上皮细胞分化，形成3D绒毛状结构，并增强肠屏障功能，重现正常人类肠道的许多复杂功能。 很明显，剪切应力在组织和器官的功能中起着关键作用。与以前的体外细胞培养平台不同，微流控芯片是一种强大的模拟体外检测工具，可以原位控制流动和剪切应力。因此，该技术非常适用于药物筛选和毒理学测试的模拟真实生物环境的研究。

西班牙萨拉戈萨大学科学家首次采用BE-Gradient微流控芯片观测多球细胞的化学迁移情况，主要研究了OSC-19多球细胞（OSC-19：人舌鳞癌细胞）在FBS（胎牛血清）的趋化反应。探究方向如下：1、通过横向微通道探究不同化合梯度条件下的趋动行为。2、对比OSC-19多细胞在微流控系统（胶原包被）和在孔板中的球状体迁移情况。3、证明了在对趋化梯度的反应中OSC-19单细胞培养时与多细胞球体培养时表现出不同的响应机制。 前言 趋化运动是指细胞能够感受到外界化学物质的浓度梯度，并沿着浓度梯度的方向所做的定向运动。趋化作用在许多病症中起着关键作用，包括炎症和自身免疫性疾病以及癌症，还有许多发育和组织重塑过程，包括胚胎生长和伤口愈合。因此，能够详细研究趋化过程的技术是药物发现和基础生物学的重要工具。 一、瓶颈挑战 许多不同的方案被用来研究细胞迁移和趋化作用。Boyden Chamber Assay：Boyden小室法是目前细胞迁移和侵袭实验技术最常用的方法之一。虽然这种方法用途广泛，但它有一些局限性：例如，它不能直接观察迁移过程中的细胞。除此之外，还有一些研究细胞迁移和趋化作用其他物质或方法，包括under-agarose凝胶、Agarose Spot、Zigmond chamber、Dunn chamber和Insall chamber检测等。这些检测方法各有其优点，但 它们通常都不能研究随着时间变化的化学梯度对细胞的影响。 此外，梯度控制和重现性可能是一个挑战。这些缺点都可以通过使用微流控系统来克服，微流控系统已经成为研究趋化性的有力工具。 虽然现有技术观察单细胞的趋化反应装置是非常有效，例如Jeon NL的预混器梯度发生器，但它们在某种程度上与更现实的细胞迁移情况有距离。细胞是多细胞系统的一部分， 往往多细胞的趋化反应与单细胞展现不一样的迁移机制。 研究表明，固体肿瘤细胞可表现出与单个细胞不同的机制进行迁移和入侵。例如，胶质瘤为可孤立的侵袭性肿瘤，而上皮细胞似乎是通过集体运动侵袭。 这就跟现实情况造成了一定的差异。更重要的是， 现有技术往往都不允许对多细胞的集体迁移，这是一块研究的空白。 二、解决方案 同时，本文采用BE-Gradient微流控芯片作为核心装置进行研究。该装置由一个中央室（模拟细胞培养）和两条包含3个通向中心室的横向通道（模拟血管）组成。在中心室容纳包含细胞的水凝胶，两侧通过灌注不同浓度的介质，通过水凝胶多孔结构对流体的阻力作用，在横向微通道形成不同的浓度梯度。 BE-Gradient微流控芯片内部结构和参数示意图 三、BE-Gradient微流控芯片中的荧光成像和显微成像表现 在FBS化学梯度下OSC-19多细胞的显微形貌图 在FBS化学梯度下OSC-19多细胞的荧光成像图 （a）OSC-19单细胞的显微图（b）OSC-19单细胞的趋化运动分析（c）OSC-19单细胞的荧光成像图 注：本文图片部分摘引于文献： Ayuso J M , Ba Sheer H A , Rosa M , et al. Study of the Chemotactic Response of Multicellular Spheroids in a Microfluidic Device . Plos One, 2015, 10(10):e0139515. 四、其他应用 3D细胞培养：首先将细胞混合在液相水凝胶中，然后将它们引流至中央室中。水凝胶聚合完成后，通过横向通道灌注具有不同浓度化合物的培养基，并实时监测效果。 2D细胞培养：适用于贴壁细胞，不仅可以在中央室中检测，也可以在横向通道中培养。 应用案例：细胞/球状体入侵和迁移、血管新生、转移、血管生成、趋化、缺血、细胞分化或氧化压力、微型器件内的坏死核心生成、葡萄糖梯度实验。

胶质母细胞瘤为一种高度恶性，生长快、病程短的致死肿瘤疾病，它是成人最常见的原发性侵袭性脑肿瘤，每年大约有 12,000名新增病例 。 由于其研究的特殊性，如何在体外模拟更真实的仿生环境一直是临床研究的难点，西班牙萨拉戈萨大学的研究小组成功攻克了这一难题，让我们看看这是怎么做的吧！ 一、研究快速导览 背景： 胶质母细胞瘤（GBM〉是最致命的肿瘤类型之一。在这些肿瘤中，高细胞区被命名为假性细胞区，并被推测为胶质母细胞瘤细胞迁移的波。这些细胞的”波浪”被认为是由肿瘤引起的血管闭塞所造成的氧气和营养物质的消耗所诱发的。虽然这些结构在GBM肿瘤中的普遍存在表明，它们可能在胶质母细胞瘤的扩散和入侵中发挥了重要作用，但在体外重新创造这些结构仍然是一个挑战。 方法： 西班牙萨拉戈萨大学通过采用先进的体外细胞培养装置——BE-Gradient 微流控芯片，模拟了假性细胞区形成的动态过程。将U-251 MG细胞嵌入微流控芯片的胶原水凝胶中，通过控制介质在横向微通道的流动，模仿和控制与这种疾病相关的血管阻塞事件。 结果： 通过使用这个新的系统，证明营养和氧气的缺乏会引发一个强烈的迁移过程，导致体外假紫斑的产生。这些结果验证了假性细胞区的假说，并显示出与缺氧驱动生物学模型的出色一致性。 本研究有效的证明了 BE-Gradient微流控芯片作为先进的体外培养装置，能够很好的模拟在肿瘤演变过程中营养和氧气的化学梯度变化。 二、BE-Gradient的实验效果介绍 下面让我们了解基于BE-Gradient 微流控芯片更多的实验效果。 （1）BE-Gradient 微流控芯片模拟化学梯度变化的可能性展示（方案之一）： 图1 BE-Gradient 微流控芯片模拟营养和氧气的缺乏区域（I）和富集区域(II)的示意图 （2）微流控芯片细胞长期体外存活能力展示： 图2 在9天后，U-251细胞在微流控芯片中的存活显示，活细胞（用1μg/ml的钙素标记）显示为绿色，死细胞显示为红色（用4μg/ml的碘化丙啶标记）。白色虚线划定了微型装置柱（50x100 µm）。细胞在1.5mg/ml胶原水凝胶内以400万细胞/ml的速度培养 （3）假性细胞区形成的动态过程展示： 图3 在限定条件下形成假性细胞区过程 将400万cells/ml的U-251置于1.5mg/ml的胶原水凝胶中，在微型装置内培养。在不受限制的条件下，每天更换一次培养基，并在3天（A）、6天（B）和9天（C）使用钙黄素（绿色）和碘化丙啶（红色）评估细胞的活力。为了模拟受阻的情况，只让介质通过右侧微通道流动，并在3（D）、6（E）和9（F）天评估细胞活力。白色虚线划定了微装置柱（50x100 µm）的界限。图表显示了在3天（G）、6天（H）和9天（I），在受阻和不受阻的情况下，整个微室正交视图的荧光强度。图中的边界位置由灰色虚线划定。比例尺为200μm。 图4 假性细胞区形成期间的细胞形状 在不受限制（A）或受阻（B）的条件下培养5天后，拍摄微室的共聚焦图像。(C)分析了假性细胞区后部和前部的细胞形状，并与无限制条件下的同一区域进行比较；。(D) 在受阻条件下，假性细胞区后部的方向性。(E) 石蜡包埋的GBM样本的苏木精和伊红染色。(F) 患者样本中假顶点后部和前部的细胞核长宽比；比例尺为200µm。 参考文献： Jose, et al. “Glioblastoma on a microfluidic chip: Generating pseudopalisades and enhancing aggressiveness through blood vessel obstruction events.” Neuro Oncology (2017). 三、Be-Gradient的其他应用 （1）产品介绍： Be-Gradient 由一个中央室（模拟细胞培养）和两条包含 3 个通向中心室的横向通道（模拟血管）组成。用于模仿体外的细胞培养。它可以在化学梯度下进行3D或2D细胞培养。由于其使用的聚合物具有一定的光学透明度，所以可以搭载显微镜、荧光显微镜和共焦显微镜辅助观测。 3D 细胞培养：首先将细胞混合在液相水凝胶中，然后将它们引流至中央室中。水凝胶聚合完成后，通过横向通道灌注具有不同浓度化合物的培养基，并实时监测效果。 2D 细胞培养：适用于贴壁细胞，不仅可以在中央室中检测，也可以在横向通道中培养。 （2）应用领域： 细胞/球状体入侵和迁移、血管新生、转移、血管生成、趋化、缺血、细胞分化或氧化压力、微型器件内的坏死核心生成、葡萄糖梯度实验。