医疗芯片的特殊战役：从微流体技能的新打破说起_芯片_卵白质

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文｜脑极体

在国家队的加持下，芯片成为当之无愧的带货网红。
各路媒体们彻夜达旦，几天就炮制出了不少“芯片制造为什么难”“一文读懂芯片家当”“X国芯片往事”等雄文。

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不过，大家的关注点都聚焦在芯片之于电子行业的重大意义。

（图片来自网络侵删）

可能少有人理解，芯片在生物医疗上也有着不小的代价，并且也是一条不容忽略、日月牙异的科技主赛道。

就在本月，著名学术期刊《Microsystems & Nanoengineering》（“微系统与纳米工程”）就揭橥了一项弗吉尼亚理工大学化学和生物系统工程系的研究成果——一个集成的微流体治疗芯片Therapeutics-on-a-Chip（简称TOC）。

它的分外之处在于，能够经济且高效地将治疗性蛋白质完成合成及纯化。
而这对付办理干系药品的环球运输问题，尤其是对付偏远穷苦地区的患者来说，有着极为主要的现实意义。

治疗性蛋白质药物的普惠难题

大多数人都知道，人体会制造许多蛋白质来坚持生命与康健。
个中有一类蛋白质，运送到体内可能会对某些疾病起到有益的影响，它们都可以被成为“治疗性蛋白质”。

比如胰岛素能够调节血糖，一些天然血液因子能够帮助伤口凝集，阻挡失落血，还有一些蛋白质是“旗子暗记兵”，能够促进特定类型细胞的成长，免疫蛋白质则能够帮助杀去世身体的入侵者。
血友病、癌症、囊囊性纤维化、心脏病等一系列疑难杂症，都可以通过蛋白质治疗药物得到掌握。

天然人类蛋白质的基因工程版本

而随着基因工程的发展，以治疗性蛋白质为根本的药物已经告别了依赖人体产生这一自然渠道。
通过细胞培养，单个细胞就可以含有所须要的人类基因。
然后将治疗蛋白放进容器中，以注射等办法打仗人、动物或微生物，就能发挥相应的浸染。

目前，治疗性蛋白质药物已经占到了药物市场的极大比例，并且随着新蛋白质的创造而日益增长。
与此同时，治疗蛋白的大范围遍及也存在一些长期性的寻衅。

大多数治疗蛋白都是经由重组酵母、动物细胞等办法培养出来的，经由大规模生产之后，它们会从集中式生产厂家经由封装再分销到环球。

然而，这些合成治疗蛋白的半衰期每每是有明确限定的，对运输过程中的冷链、设备都有着一定的哀求。
对付非洲、东南亚等偏远地区的患者和照顾护士点来说，想要引进和长期储存大规模的治疗药品十分困难，这就使其很难帮助更多的人。

改进终真个医疗条件并非一朝一夕能够完成的，以是，不少研究职员就把主张打到了治疗蛋白的“包装”身上。

最近弗吉尼亚理工大学化学与生物系统工程系的Travis W. Murphy墨菲教授和他的同事共同开拓了一种芯片治疗系统（TOC），在上面可以利用无细胞蛋白质合成（CFPS）工艺完成对治疗蛋白的即时合成与纯化。
因此，药物可以在相对宽泛的温度条件下储存，同时冻干的有效物质还能够保持稳定。

降本增效小好手：TOC是怎么做到的？

实验显示，墨菲等人通过TOC成功合成并纯化了天蚕素B——一种广泛用于掌握生物膜疾病的抗菌肽。
在六个小时内，天蚕素B的浓度为63 ng /μL，纯度为92％，并且具有非常不错的抗菌性能。

在CFPS反应器准备开始生产治疗蛋白的前期设计阶段，科研职员制作了一个蛇形通道微流控芯片。
这个微流体被连接到注射泵上，细胞裂解物、反应缓冲剂和DNA模板分别通过130cm的蛇形通道，以0.15μL/ min的流速在个中勾留1.5个小时。

然后，科学家利用加热反应器和COMSOL Multiphysics软件对这一组合流进行建模。
这一步骤的浸染是验证设备的机制是否正常，来担保最佳的扩散稠浊和反应。

设计完成，接下来，系统就开始生产大量的治疗蛋白质了。

到了第二阶段，则须要利用微流体装置对合成的治疗蛋白进行纯化。

墨菲等人对治疗蛋白质纯化的事情流程：吸附——洗涤——洗脱进行了优化，设计了一种微流体装置，通过电磁阀操纵该装置来掌握单个微机器阀和干系的振荡压力脉冲。

这一发明将产品纯度提高到了98.5%，产品收率到了54.6%，远高于其他方法。

纯化实验成功之后，科研职员又接着开拓了一个集成的微流体平台，即TOC。
它可以让治疗蛋白的合成与纯化（CFPS + P）都实现自动化事情。

人们将连续流动反应器和批量纯化妆置结合在一起，并借助管储器将两个过程结合在一起。
在纯化之前，管储器会将连续流动反应器（那个蛇形通道）所生产的蛋白质储存在芯片上，从而让不同流程能够在一个便携装置内更好的兼容。

这一整套操作微流体系统的装置只有公函包大小，已经是高度便携的治疗蛋白生产系统了。
同时，也表现出了非常好的活性和抗菌能力。

这样既把治疗蛋白的生产变得大略高效经济，又能最小程度地减少试样和试剂，研发和生产速率也能十倍上百倍的提高，对付治疗蛋白的大范围推广，尤其是让老少边穷地区用上有保障的药品，起到了非常主要的助推浸染。

微流控芯片：TOC的关键武器

有心的小伙伴会创造，TOC装置能发挥如此惊喜的效果，核心就在于一个微流控芯片（micro-chip）上。
不要鄙视这个小小的芯片，除了能够掌握和优化蛋白质的生物表现之外，还将是基因工程、生物遗传等领域非常主要的技能根本。

这么牛逼的技能是怎么出身的呢？

微流控技能全称Micro Electromechanical System，是由诺贝尔物理学奖得到者Richard Feynman教授于1959年提出的，其观点大略来说便是通过半导体技能，将现实生活中的机器系统微型化，形成微型电子机器系统。

一开始，微流控剖析芯片只是作为纳米技能革命的一个补充。
受限于制造、运用等难题，比如早期的微流控芯片，其眇小通道在设计时就会碰着的喷射问题。
这些导致了远远没有展现出半导体应具备的“摩尔速率”。

直到上世纪80年代末至90年代末，随着材料科学和流体移动技能发展后，加上生物传感器与基因工程的欣欣向荣，才共同推动了微流控技能的进步，也带动了微流控芯片的繁荣。

表示在医疗领域，微流控芯片的浸染除了前面所说的帮助纯化治疗蛋白之外，还有许多用武之地，比如：

1. 抗原抗体检测。
利用蛋白质芯片技能，能够根据与某一蛋白质的多种特色，筛选某一抗原的未知抗体，将常规的免疫剖析微缩到芯片上进行，使得免疫检测更加方便快捷。

2. 生化反应的检测。
这个能力有点类似前面提到的CFPS反应器设计，便是通过微流体芯片来测定酶匆匆反应的变革，理解药物分子之间的相互浸染，从而为药物开拓和临床用药供应实验依据。
而且，这种蛋白质芯片可以重复利用，大大降落了试验本钱。

天津微纳芯公司生产的Pointcare M生化检测仪

3. 疾病诊断。
微流体芯片还能够检测生物样品中与某种疾病或者环境成分损伤可能干系的蛋白质情形，比如Ciphelxen Biosystems公司就利用蛋白质芯片分别检测了康健人和前列腺癌患者的血清样品，仅用了三天韶光就创造了6种潜在的前列腺癌的生物学标记。
可以说，微流体芯片技能的发展，将给未来疾病的探索和早期预防、治疗带来主要而积极的代价。

中美竞速：微流控技能家本地图

既然同属半导体芯片，那么在微流控技能上，中国到底处在什么计策位置呢？会不会往后各种干系的医学检测、新药开拓都受制于人呢？还真令人细思极恐。

目前，环球参与微流控研究的地区紧张集中在北美地区（美国及加拿大）、亚洲地区（中国、日本、韩国）。
从绝对量级上来说，美国在该领域的研究位居环球首位，其次为中国、日本。

企业方面，位居首位（根据专利申请人剖析）的这天本ROHM CO公司，美国生物技能公司Caliper和Myriad Genetics公司位列第二、三名。
排名第四的则是中国苏州汶颢芯片，紧张产品便是微流控芯片。

微流控机构研究排名

在学界，中国高校（以东南大学为代表）和美国高校（加州大学、哈佛大学、麻省理工）等都是排名靠前的科研机构代表。

总体来看，中国在微流控领域的科研实力还是远远强于大多数国家的。

但落地抵家当端运用上，以微流控常见的医疗诊断方向为例，中国市场目前还是由Roche和Abbott（雅培）等大型跨国厂商来主导的。

不过，由于政策的大力支持，近年从海内科研院所独立出来了许多微流控技能创业公司，同时也在积极招揽外洋回流的华人工程师，导致近两年中国的微流控家当链发展非常发达，天津微纳芯、杭州霆科生物、微点生物、华迈兴微、百康芯、上海速芯等等，都在微流控器件制造方面有不错的表现。

当然，这并不虞味着中国的微流控芯片技能已经非常成熟了。
事实上，由于起步的韶光较晚，只管科研方面并不弱，追赶的势头也非常凶猛，但在家当供应链上的成熟度还是有所不敷。

目前，只有少数中国企业拥有从设计和原型开拓，以及后续大规模制造、后端处理的完全供应能力。

不过，中国在数字化移动医疗上的井喷式发展，都将不断给微流控家当添砖加瓦。