医疗产品设计:液滴微流体技术新突破

液滴微流控技术是一种多样化的实用工具,实现了液滴在微小通道中的流动控制,可以有效的节省样品和试剂的使用量,提高反应效率和时间,从而为生物和医学研究搭建了一个全新的平台。液滴微流体控制系统克服了传统微流控低雷诺数层流的缺点,有利于连续流体的混合,使它广泛应用于化学和生物等科学领域,基于液滴的微流控工具已经被广泛使用在材料合成、单细胞分析、RNA测序,小分子筛选,体外诊断和组织工程等领域。

用于高通量单细胞分析的液滴测序:(a)基于使用含有DNA引物的水凝胶条形码的方法(inDrop)和(b)基于微粒的方法(Drop-seq)。使用流动聚焦平台,条形码或微粒被输送到包含细胞,裂解缓冲液和RT-PCR缓冲液的液滴中。线性PCR用于序列分析。图片来自Elsevier。

液体微流控除了传统微流控系统的固有优势,又具备一些新的优点。

优点一:低样品量,各种功能的便捷集成以及对热量和质量传递的精确控制 优点二:微流控系统克服了泰勒分散,表面分子相互作用和缓慢混合相关的问题。 优点三:基于液滴的微流体系统具有独特的功能,例如定义和形成超小化验体积的能力,极高的墨滴生成频率(高达数百kHz),以快速有效的方式控制墨滴有效负载并获得亚毫秒级混合时间的能力,使该技术可用于超高通量实验。

图片来源:The Royal Society of Chemistry

核酸检测与分析

基于液滴的微流控系统为扩增核酸提供了极好的技术平台。在这方面,也许最引人注目的应用是数字液滴PCR(ddPCR),它可以对特定核酸序列进行极其灵敏的检测,并基于大量间隔PCR的统计分析反应。简而言之,ddPCR涉及将样品分离成数百万个较小的体积,从统计学上讲,它们将是空的或仅包含靶核酸的一个副本。此类液滴的热循环将仅在最初包含序列副本的液滴中生成信号。因此,序列鉴定和定量都通过一个简单的计数过程。毫不奇怪,基于这种方法的商业产品现已上市,并广泛用于分子生物学实验室。

液滴条形码测序

在进行大规模实验时,要在更大的液滴群体中识别和监控特定液滴是一个特殊的挑战。对于相对较小的种群,可以通过沿延伸通道简单地排列液滴或通过沿流动路径将液滴捕获在结构中来实现,但是,对于包含成千上万个液滴的种群,这种策略是不可行的,必须采用替代方法。在小滴中添加基于小分子或量子点的荧光团混合物可以在任何时间对数千个小滴进行条形码编码,相反,DNA条形码编码涉及向每个小滴传递独特的单个DNA链,,因此实际上对条形码的编码能力没有限制。因此,液滴条形码测序已成为条形码技术中的最新技术,例如在单细胞测序中。

ITL集团作为领先的医疗诊断微流控解决方案供应商,从21世纪初期开始研究微流控技术的开发和应用,对于微流控芯片中各个部分的应用和设计,包括取样方式,液体流动和控制,试剂储存,混合,阀门,加热技术,检测技术到最后的废液收集,都有深刻的认识和丰富的经验。目前为止已成功地设计并制造多种高性能微流控芯片,用于分子诊断,免疫分析,液体活检等体外诊断领域。

ITL医疗器械开发团队可根据客户和市场需求,在产品设计中灵活运用微流控技术,将复杂的多步骤手动反应过程整合和集成到芯片上,大大提高产品的用户体验,检测速度和准确性,避免检测中交叉污染的发生,更好地建立即时诊断产品的价值。对于产品开发的长期经验更是有利于团队预估风险并采取有效措施降低风险,提升成本效益,大幅度缩短产品的上市时间,为客户节省更多时间,精力和成本,为来自世界各地的客户提供用于各种不同领域的微流控芯片及其配套诊断仪器的开发和生产服务。

参考资料: 【1】Droplet microfluidics: from proof-of-concept to real-world utility? Chemical Communications. DOI: 10.1039/c9cc04750f 【2】A. J. DeMello et al, Droplet microfluidics: recent developments and future applications. Chemical Communications., 2011, 47, 1936-1942. DOI:10.1039/C0CC02474K

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