數字微流控技術在生物醫學領域的應用研究進展

近日，深圳大學和中國科學院蘇州生物醫學工程與技術研究所的研究團隊合作，在Biosensors and Bioelectronics期刊上發表了題為“Advanced design and applications of digital microfluidics in biomedical fields: An update of recent progress”的論文。該文章詳細介紹了數字微流控（DMF）技術在生物醫學領域的最新進展，重點關注了數字微流控系統的綜合設計和應用，對于該領域的研究和商業化應用具有重要意義。在該文章中，蘇州生物醫學工程與技術研究所胡思怡老師和深圳大學生物醫學工程學院柴語鵑老師為通訊作者，深圳大學生物醫學工程學院楊成彬老師為該文第一作者。

隨著近幾十年來數字微流控技術的突破性發展，數字微流控技術在自動微量液體操縱和復雜多步驟處理方面引起了廣泛關注。該文章首先詳細闡述了電潤濕-介電效應原理、數字微流控芯片的制造以及數字微流控系統的商業化進程。隨后介紹了數字微流控在液滴和磁珠操縱方面的多種策略，為各種類型的醫學檢驗應用奠定基礎。接著，作者綜合討論了基于數字微流控的生物醫學應用，包括自動化樣品制備策略、免疫測定、分子診斷、血液處理/測試和微生物分析幾個大方向，同時還探索了酶活性評估和DNA存儲等特殊領域的應用。

此外，作者對每種生物分析方法的性能進行了比較，并結合數字微流控系統的設計進行了分析，深度解析了數字微流控技術的創新設計和應用。最后，作者從技術研究和轉化等角度系統總結了數字微流控系統的優勢、挑戰和未來趨勢，展示了數字微流控在生物醫學，特別是檢驗技術方面的廣泛應用前景。

圖1 基于數字微流控的生物醫學應用示意圖

樣品制備應用

樣品制備是體外診斷的初始和關鍵步驟，包括裂解、混合、提取、稀釋、孵育等操作。在許多高通量的分析技術中（如高通量測序），樣本制備過程較為復雜。數字微流控可以通過全自動反應過程設置、加熱模塊的嵌入和磁珠捕獲等方法實現自動化和溫度控制，大幅簡化樣本制備，顯著減少操作時間，減少樣本損失，最終提升檢測效果。

圖 2 基于數字微流控的檢測樣品制備

免疫測定應用

基于數字微流控的免疫檢測具有反應體積小、效率高、時間短、靈敏度好等特點?；诳贵w-抗原反應的基本原理和電極的驅動，數字微流控系統可以應用于各種類型的免疫分析，如ELISA、化學發光分析和免疫熒光分析，甚至實現多靶標的檢測。這種自動化微體積系統不僅可以滿足高靈敏即時檢測的需求，還可以通過封閉系統的使用降低感染風險。

圖3 基于數字微流控平臺的超靈敏免疫測定

分子診斷應用

分子診斷涉及多步驟反應，例如樣品裂解、RNA或DNA提取、純化、聚合酶鏈反應（PCR）或測序。分子診斷在數字微流控平臺上的應用通常需要熱控制模塊的支持。與傳統PCR的溫度波動不同，數字微流控可以通過在局部加溫并驅動液體在不同溫度區域流動而實現分子擴增，也可以使用等溫擴增技術滿足這一要求。數字微流控在各種控制系統和模塊的支持下，目前已經可以實現從樣本處理到檢測的全自動超操作，大大縮短了復雜樣品的分子檢測時間。

圖4 用于核酸擴增反應分子診斷的一體化數字微流控設備

血液處理和分析

血液檢查包括血型、凝血、離子等廣泛類別的檢測。血液分析的異質性和特殊應用需求引發了許多基于數字微流控的創新應用。例如，在數字微流控系統中引入多孔膜可以實現血漿的自動分離；通過對數字微流控表面血液流動進行錄像和機器學習算法分析，可以模擬凝血過程，在較短時間完成凝血能力的評估，在臨床應用中有很大的潛力。

圖5 用于血液處理和分析的數字微流控平臺

微生物分析

數字微流控被廣泛應用于人體組織或環境樣品中的微生物檢測，既能夠實現良好的檢測效果，又能夠保障操作的安全。目前，數字微流控平臺已被應用到細菌分類試驗（BC）和抗生素敏感性試驗（AST）當中，特別有利于實現并行操作和實時圖像處理，同時監測多種細菌菌株和抗生素。

圖6 用于活微生物的數字微流控分析平臺

綜上所述，該論文所介紹的數字微流控技術在生物醫學領域的突破性應用給我們帶來了無限的想象空間，有望在新領域和新應用中發揮更大的作用。同時，本領域也面對一些重大挑戰：

（1）樣本在芯片的注入和取出尚不能很好的實現自動化；

（2）數字微流控芯片內的多聯檢和高通量檢測需要通過芯片制備工藝、表面處理工藝等多重技術的配合才能更好地實現；

（3）部分常規檢測試劑的化學和生物成分在數字微流控的油性環境中需要進行調整。隨著數字微流控技術的日益成熟，芯片的制造成本不斷降低，技術穩定性也在逐漸增強，以上挑戰將會在未來的持續研究中得以克服，數字微流控技術將為生物醫學研究和應用帶來更多的突破和進步。

圖 7 數字微流控的挑戰與未來方向

審核編輯：劉清