技術(shù)領(lǐng)先、成本優(yōu)勢、產(chǎn)品先發(fā)成就龍頭企業(yè)：

√國內(nèi)諸多新型微流控企業(yè)嶄露頭角，免疫診斷和分子診斷研發(fā)為主，市場潛力雖大，但不可盲目跟風(fēng)；

√微流控技術(shù)高壁壘，低產(chǎn)業(yè)化，所以技術(shù)和資金是必不可少的兩個(gè)要素；

√差異化市場探索，可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有技術(shù)的顛覆替代。

一、什么是微流控芯片？

1. 什么是微流控芯片？微型+集成+自動化。

√微流控芯片，又稱為芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab on a Chip），主要依托于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）加工工藝，將生物和化學(xué)領(lǐng)域所涉及的基本操作單位集成在一塊幾平方厘米的芯片上；

√該芯片由各種儲液池和相互連接的微通道網(wǎng)絡(luò)組成，很大程度縮短樣本處理時(shí)間，并通過精密控制液體流動，實(shí)現(xiàn)試劑耗材的最大利用效率；

√可以把整個(gè)化驗(yàn)室的功能，包括采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測等集成在微芯片上，且可以多次使用。

微流控芯片示意圖

二、微流控平臺的特點(diǎn)

2. 微流控技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

√ 集成小型化與自動化：通過流道的尺寸和曲度、微閥門、腔體設(shè)計(jì)的搭配組合實(shí)現(xiàn)檢測的集成小型化和自動化；

√ 高通量分析：芯片設(shè)計(jì)多流道、多個(gè)反應(yīng)單元的相互隔離，使各個(gè)反應(yīng)互不干擾；

√ 檢測試劑消耗少，樣本量需求少：微流控芯片反應(yīng)單元腔體特別小，試劑及樣本的使用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)操作；

√ 污染少：芯片集成功能避免了人工操作的污染。

微流控技術(shù)優(yōu)勢

微流控技術(shù)的出現(xiàn)為生命分析面臨的三大特殊挑戰(zhàn)（要求在特別小的空間，特定的時(shí)間，特定的外界條件進(jìn)行物質(zhì)定性、定量、結(jié)構(gòu)分析、形貌分析等工作）提供了有力的操控工具。

但作為一種新興技術(shù)，它也面臨著諸多問題亟待解決：

√ 產(chǎn)品缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化：目前還沒法實(shí)現(xiàn)組件（配套使用的試劑，核心的微流控芯片，芯片驅(qū)動平臺，光電檢測模塊，信號處理模塊以及人機(jī)交互的軟件系統(tǒng)等）的通用化；

√ 人才不足：微流控產(chǎn)品結(jié)合了微機(jī)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，多學(xué)科交叉人才、企業(yè)研發(fā)人員、專業(yè)化市場人員嚴(yán)重不足；

√ 生產(chǎn)成本高：對于微流控免疫分析芯片來說，其面臨的最大問題是分析芯片都是一次性使用，不能充分發(fā)揮微流控分析平臺可多次使用的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致檢測成本升高，在目前加工條件下，一塊供研究用的標(biāo)準(zhǔn)玻璃芯片價(jià)值可能在幾十到上百美元之間；

√ 技術(shù)平臺的難題：1）非均相微流控免疫分析芯片中如何將抗體固定在微通道的表面但不引起抗體的構(gòu)相改變而導(dǎo)致活性降低2）如何將微通道表面進(jìn)行封閉從而阻止限制蛋白和小分子物質(zhì)的非特異結(jié)合引起的靈敏度下降3）如何將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。

三、微流控的應(yīng)用場景

3. 微流控的應(yīng)用場景：以生物醫(yī)學(xué)分析為熱點(diǎn)的全領(lǐng)域應(yīng)用

微流控芯片作為一種“微全分析技術(shù)平臺”可以應(yīng)用于各個(gè)分析領(lǐng)域，如生化醫(yī)療診斷、食品和商品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學(xué)、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等重要應(yīng)用領(lǐng)域，其中生物醫(yī)學(xué)分析是熱點(diǎn)。目前來看，體外診斷是微流控技術(shù)的最大的應(yīng)用場景，而在體外診斷中，微流控技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)在于化學(xué)發(fā)光（免疫診斷）和分子診斷中。

微流控技術(shù)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域

3.1 微流控在IVD領(lǐng)域中的應(yīng)用

IVD主流有三大類，生化分析，免疫診斷，分子診斷。

國外商業(yè)化微流控產(chǎn)品分布在傳染病、基因測序、蛋白、PCR 等領(lǐng)域，由于微流控的小型集成化的優(yōu)勢，基本應(yīng)用于 POCT 領(lǐng)域，其中雅培的i-STAT 系列成為 POCT 的經(jīng)典代表產(chǎn)品，Illumina 的測序產(chǎn)品也占據(jù)了全球 70%的測序市場。

國外商業(yè)化微流控產(chǎn)品情況

國內(nèi)微流控產(chǎn)品以微點(diǎn)生物的 POCT 產(chǎn)品 mlabs 上市最早（2013 年），此外，微點(diǎn)、理邦、中新科炬產(chǎn)品均為免疫分析，博奧和博暉則都是基于 PCR 技術(shù)。

國內(nèi)IVD主要細(xì)分領(lǐng)域規(guī)模和增速

生化分析技術(shù)成熟，技術(shù)壁壘較低，微流控產(chǎn)品面臨傳統(tǒng)的生化分析儀的競爭壓力。但其易于操作且能快速出結(jié)果的優(yōu)勢是基層醫(yī)院的不二選擇。目前，技術(shù)相對成熟的產(chǎn)品有天津的微納芯Pointcare M和美國愛貝斯（Abaxis）Piccolo Xpress?即時(shí)生化檢測儀。

基于微流控平臺的免疫分析方法，可以促進(jìn)抗原抗體之間的吸附，減少反應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)自動控制，整合小型光學(xué)探頭使設(shè)備小型化，實(shí)現(xiàn)即時(shí)檢測的目標(biāo)。華邁興微的基于微流控的M2微型化學(xué)發(fā)光分析系統(tǒng)相比較于普遍的幾十千克的大型機(jī)械手臂式的化學(xué)發(fā)光儀而言，這款產(chǎn)品只有5千克，而且從加樣后到全自動的打印報(bào)告，只要15分鐘。

在分子診斷領(lǐng)域，微流控芯片樣品體積只需幾微升，加熱器直接集成在芯片上，與傳統(tǒng)的PCR 相比，在相同擴(kuò)增效率下，芯片的熱循環(huán)效率快 2-10 倍。同時(shí)連續(xù)流動式 PCR、熱對流驅(qū)動 PCR 等技術(shù)的使用，使得擴(kuò)增過程加快，現(xiàn)有的微流控芯片能夠?qū)⒃\斷檢測過程縮短至最低 10-15 分鐘?，F(xiàn)在全自動的分子診斷，做的比較好的有賽沛（Cepheid）的GeneXpert PCR 分析儀， BioFire 的 filmArray， IQuum 的 cobas Liat PCR System 以及 Atlas Genetics 的 io。國內(nèi)的博暉創(chuàng)新，利德曼等也都有自己的基于微流控的全集成的分子診斷的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的 PCR 檢測對場地和人員的要求都十分苛刻，而基于微流控技術(shù)的分子診斷平臺，將對場地和人員的要求降到最低，突破了分子診斷的限制和瓶頸。

應(yīng)用于POCT的微流控技術(shù)發(fā)展路線圖

3.2 微流控在細(xì)胞分析與培養(yǎng)中的應(yīng)用

開發(fā)能夠進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)、分選、分析的微流控芯片也是微流控領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。微流控技術(shù)小型化、高通量的特點(diǎn)使得其具有利用珍貴稀少的組織細(xì)胞樣本進(jìn)行高通量分析的潛力，為精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化醫(yī)療提供支持。例如，微流控芯片對于CTC主要有兩大類分選方法：基于癌細(xì)胞與正常細(xì)胞或血細(xì)胞間生物學(xué)性質(zhì)（包括細(xì)胞表面蛋白表達(dá)水平、細(xì)胞活性和侵潤能力等）差異，以及基于它們之間物理性質(zhì)（包括尺寸、密度、細(xì)胞表面電荷量和變形性等）差異。

Fluxion Biosciences的微流體平臺IsoFlux實(shí)現(xiàn)高效的CTCs細(xì)胞富集回收

基于微流控芯片的3D細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)也是近年來微流控技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一類發(fā)展方向。與傳統(tǒng)培養(yǎng)容器相比，微流控芯片操作所需的細(xì)胞量很少，適合來源稀缺但又十分重要的細(xì)胞研究。微流控芯片的微米尺度空間和典型哺乳類動物細(xì)胞的尺寸及體內(nèi)微血管孔徑恰好相配；芯片的多維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成相對獨(dú)立、封閉的環(huán)境與體內(nèi)環(huán)境類似；且微通道中的高表面積體積比，使得更多的界面可以用來進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，傳送效率提高，細(xì)胞代謝加快；更可通過對流體的精確控制實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)的實(shí)時(shí)更新與代謝廢物的及時(shí)排出。此外，微流控芯片由于自身的一些特性和優(yōu)勢，很容易實(shí)現(xiàn)二維或三維的細(xì)胞培養(yǎng)、全自動化培養(yǎng)和細(xì)胞共培養(yǎng)模式，從而可以建立細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與胞外基質(zhì)間的相互作用，使細(xì)胞保持完整的生物學(xué)特性。

常規(guī)細(xì)胞培養(yǎng)和微流控芯片中細(xì)胞培養(yǎng)

A：細(xì)胞常規(guī)培養(yǎng)板和微流控芯片微通道的對比，芯片的高度為50 μm，會導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)的快速消耗和分泌物的大量堆積，類似細(xì)胞在組織中的微環(huán)境；

B：懸浮細(xì)胞在微通道中培養(yǎng)，為使細(xì)胞貼壁需要經(jīng)歷一段靜止期，然后再進(jìn)行灌注培養(yǎng)。

3.3 微流控在藥物篩選的應(yīng)用

微流控芯片可以集成256個(gè)或者細(xì)胞培養(yǎng)腔微陣列，改變細(xì)胞常規(guī)培養(yǎng)方法，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞藥物篩選的高通量化；芯片微納升級體積大大減少了試劑消耗量，減低藥物篩選成本；微流控芯片設(shè)計(jì)的二維結(jié)構(gòu)或者三維微結(jié)構(gòu)區(qū)域可產(chǎn)生低剪切力，在腔室內(nèi)形成濃度梯度，進(jìn)而對藥物進(jìn)行毒性分析；微流控芯片集成化非常明顯，將藥物的合成分離富集、實(shí)驗(yàn)細(xì)胞培養(yǎng)、藥物效果檢測等多個(gè)步驟集成于一張芯片，實(shí)現(xiàn)了藥物篩選的自動化分析。

細(xì)胞水平藥物篩選研究的集成化微流控芯片系統(tǒng)示意圖

A：裝置包含了 8 個(gè)相同的結(jié)構(gòu)單元，且 8 個(gè)單元共用處于芯片中央的一個(gè)儲液池；

B：單元結(jié)構(gòu)的放大圖，包括上游的濃度梯度發(fā)生區(qū)(CGG)和下游平行的細(xì)胞培養(yǎng)腔。

四、微流控技術(shù)壁壘

4. 微流控技術(shù)壁壘：芯片的加工方式、鍵合技術(shù)、流體控制、表面修飾等技術(shù)壁壘制約了其產(chǎn)業(yè)化。

微流控芯片常以具有良好的生化相容性、光學(xué)性能、可修飾性的單晶硅片、石英、玻璃、有機(jī)聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸酯（PC）等作為芯片材料。

①加工方式：玻璃、石英等芯片制作的主要步驟包括：涂膠、曝光、顯影、腐蝕、去膠、鍵合。

玻璃微流控芯片制作流程

高分子聚合物芯片的制作技術(shù)主要包括：熱壓法、模塑法、注塑法、激光燒蝕法、LIGA法和軟刻蝕法等。

②鍵合技術(shù)：微流控芯片鍵合方法主要有三種：熱鍵合、陽極鍵合、低溫鍵合?？涛g后玻璃基片表面會殘留較多的有機(jī)物和無機(jī)顆粒、塵埃等，直接造成表面的平整出現(xiàn)不均勻，粗糙度不一致，在鍵合時(shí)導(dǎo)致結(jié)合界面產(chǎn)生衍射紋，不能緊密貼合而導(dǎo)致鍵合失敗。因此，無論采用何種鍵合方式，基片在鍵合前均需進(jìn)行嚴(yán)格的清洗。

③流體控制：微流控技術(shù)最核心的是流體控制。非機(jī)械力驅(qū)動，不借助外力，嚴(yán)格意義上叫微流體并非微流控，并無液體流動的控制。機(jī)械力驅(qū)動，則是通過儀器內(nèi)部精密控制芯片內(nèi)反應(yīng)腔結(jié)合閥門裝置，控制液體反應(yīng)的位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測液體在芯片內(nèi)流動狀況，定量控制反應(yīng)樣本體積，使樣本定量參與免疫反應(yīng)，真正達(dá)到精確控制。

微流控流體驅(qū)動技術(shù)

④表面修飾：微流控芯片中比表面積大，表面效應(yīng)顯著；且芯片分離、反應(yīng)和細(xì)胞培養(yǎng)等單元技術(shù)對表面性質(zhì)的需求不同。這就要求微流控芯片需要進(jìn)行一定的表面修飾以減小表面非特異性作用、增強(qiáng)表面特異性作用、提高表面穩(wěn)定性。

表面改性方法

五、微流控技術(shù)的分類及應(yīng)用案例

在產(chǎn)業(yè)化中，主動式微流控一般分為以下幾大類型：壓力推動式微流控，離心力推動式微流控，液滴微流控，數(shù)字化微流控，紙質(zhì)微流控等。