微流控芯片技术在肺部炎性疾病研究和诊断中的进展

微流控芯片技术是指一种将生物、化学等诸多领域的样品从制备、反应到分离检测等多种操作单元高度集成在一块芯片上的技术,由网络状微通道构成,可以通过流体操控整个系统。相比构建模型的传统方法, 具有便携性、高通量、可模拟在体微环境等优势,在研究疾病的诊断、发病机理研究以及药物筛选等方面有着广阔的应用前景。肺部炎性疾病是临床常见的多发病,通常由于细菌、病毒、真菌感染引起。早期肺炎常缺乏明显的呼吸系统症状且症状多不典型,但病情进展快,难以诊断。近年来,微流控芯片技术已经逐渐用于肺部炎性疾病的研究中。尤其是可以再现人肺泡毛细血管界面 (即活肺的基本功能单元) 的关键结构、功能和机械性质的“芯片肺”模型的应用,很好地在体外呈现了肺泡-毛细血管界面模型的生理相关性。相比细胞和动物模型,这种多功能微实验平台具有非常大的优势。文中针对微流控芯片技术在肺部炎性疾病研究和诊断中的进展进行了综述,旨在为肺部炎性疾病的研究和诊断提供新思路。     

基于微流控芯片的细胞-细菌相互作用光电检测技术

细胞/细菌及其相互作用研究对于生命科学、药物研发、医学诊疗等领域的研究具有重要意义。微流控芯片分析技术因微环境可控、生物相容性好、检测并行性、微型化等特性，正发展成为细胞/细菌及其相互作用研究的高效手段。本文在简要介绍基于微流控芯片分析技术的细胞-细菌分析方法和技术基础之上，对微流控芯片上细胞-细菌相互作用模型的建立进行了讨论，重点针对细胞-细菌及其相互作用过程的芯片检测进行了综述，尤其对芯片集成的光电检测技术及其测试效果进行总结和比较。通过芯片集成微流体控制、多种光电传感监测模块，使微流控芯片分析技术成为细胞/细菌及其相互作用过程分析和检测的支撑平台和优势手段。最后，对微流控光电检测技术在细胞-细菌相互作用检测中面临的挑战及发展趋势进行了讨论和展望。     

用于药物筛选的微流控细胞阵列芯片

细胞区域分布培养以及如何有效地对微流体进行操控是微流控阵列芯片在细胞药物研究中的关键技术。本研究介绍了一种利用SU-8负性光刻胶模具和PDMS制作双层结构的微流控细胞阵列芯片的方法,该芯片通过C型的坝结构将进样细胞拦截在芯片的细胞培养的固定区域,键合双层PDMS构成阀控制层,阀网络的开关作用成功实现了芯片通道内微流体的操控,同时芯片设计了药物浓度梯度网络,产生6个不同浓度的药物刺激细胞。通过对芯片3种共培养细胞活性的检测和药物伊立替康(CTP-11)对肝癌细胞的浓度梯度刺激等实验结果验证该芯片在细胞研究和药物筛选等方面的可行性。     

微流控芯片在植物细胞研究中的应用进展

植物细胞的传统分析方法是将植物细胞在土壤或者琼脂平板上生长,然后在温室或植物生长室内观察植物的表型。这种方法耗时耗力,且结果分辨率比较低。微流控芯片具有微型化、体积小和高通量等特点,且可在微米水平精确控制植物细胞生长的微环境。因此,能够降低实验成本,缩短实验时间,并且可以达到单细胞水平的分析和鉴定。首先介绍了微流控芯片的加工材料和制备方法,总结了用于植物细胞研究的微流控芯片,重点阐述了近年来微流控芯片在植物根、花粉管、原生质体和细胞壁动力学等植物细胞研究中的应用进展,并展望了微流控芯片在植物细胞研究的应用前景。     

构建基于磁珠微流控芯片的iFlora遗传信息高效获取系统

磁珠以其比表面积大、易与生物分子耦联、操控方便等优点,在生命科学中得到了广泛应用。随着微机电系统（MicroElectroMechanicalSystems,MEMS）技术的发展,将磁珠应用到微流控芯片中构建磁珠微流控分析系统,为生物样品分离、检测提供了一种全新方法。新一代植物志iFlora融入现代DNA测序技术．应用高速发展的信息、网络技术及云计算分析平台,收集、整合和管理植物物种相关信息,以实现物种智能鉴定和数据提取,而包括DNA条形码在内的遗传信息及其获取技术在iFlora中的作用至关重要。本文重点概述了基于纳米磁珠的微流控芯片技术及其在分子生物学领域中的应用,提出构建基于纳米磁珠微流控芯片的iFlora遗传信息采集系统,在微芯片上完成从DNA提取到测序全过程,实现物种遗传信息的快速、高效获取。     

液滴微流控芯片系统中微液滴特性表征及氨基酸检测应用

基于液滴微流控芯片的检测和筛选系统,因其具有通量高、成本低等显著特点,近年来备受关注。该系统生成的微液滴(皮升体积)具有直径均一、大小可控、互不交融(单分散性)等特性,它作为微反应器可以进行微生物及其代谢物包埋实验和高通量检测。因此,研究微液滴的相关特性及其应用具有重要意义。文中在液滴微流控芯片系统搭建的基础上,对重要氨基酸(谷氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸)分别进行了微液滴包埋实验,研究了包埋微液滴的重要特性参数(如稳定性、扩散性等),探索了包埋微液滴对氨基酸检测分选的应用。实验表明,文中搭建的液滴微流控芯片系统可以稳定、均一地生成微液滴,微液滴大小可根据需要控制在2 0-5 0μm之间,微液滴间无交叉污染,包埋氨基酸的微液滴的检测筛选速度大约为每分钟6 0 0个。这个研究为高通量分析和筛选产氨基酸的微生物奠定了基础。     

微流控芯片在水环境污染分析中的应用

近年来,一种新型技术——微流控芯片技术因其分析速度快、消耗低、体积小、操作简单等特点而备受世界各国的广泛重视.该技术以微通道网络为基本特征,以微机电系统(MEMS)工艺为技术依托,将整个实验室的功能集成在微小芯片上,即构成所谓“芯片实验室”.本文从该技术的基本情况出发,介绍了微流控芯片的发展,并从仪器小型化、系统集成化、不同的芯片材料以及多种检测技术等方面,着重讨论了其在水环境污染分析方面的实际应用和发展前景,指出了它当前所面临的一些问题.随着微流控芯片的不断发展,高速多通道检测装置、低成本设备以及集成了多种方法的高通用性微流控检测芯片,都将成为未来研究的热点.     

基于微流控芯片的秀丽隐杆线虫的研究进展

微流控芯片技术作为近年来最前沿的分析技术之一,已经在化学、生物学、医药学等研究领域取得了突破性的进展.微流控芯片具有高通量、微型化和多功能集成化等独特优势,已经成为生物医学研究的新平台之一,被越来越多地应用于秀丽隐杆线虫的研究.综述了基于微流控芯片上的秀丽隐杆线虫在生物医学领域中的研究进展,侧重介绍了微流控芯片在线虫的自动化固定、行为学、衰老与发育学、神经学、药物筛选及基因筛选等六大方面所取得的最新进展,并展望了微流控芯片的应用前景.     

新型浓度梯度微流控芯片的设计及药物诱导内皮细胞凋亡应用

为研究细胞对药物的定性定量反应,并且能够形成浓度梯度,本研究利用软件CAD、软件CFD以及软件Fluent设计了一种新形式的浓度梯度微流控芯片,注入芯片的流体能够形成浓度梯度,该芯片添加了有细胞捕获结构。研究对芯片的影响因素进行了优化,用红绿染料对芯片的浓度梯度特征进行了验证,探讨带有细胞捕获结构的浓度梯度微流控芯片实现药物对内皮细胞凋亡的可行性。通过芯片平台研究了葡萄糖以及土豆叶匀浆液诱导内皮细胞凋亡的情况。研究结果表明,新设计的浓度梯度芯片经过红、绿染料的验证,在出口主通道有八通道溶液形成了层流特性,能够保持较长的距离,形成了明显的稳定的浓度梯度。在诱导内皮细胞凋亡方面,当葡萄糖的浓度大于25μmol/L时,细胞出现了明显的抑制;而8个浓度的土豆叶匀浆稀释液对诱导内皮细胞凋亡没有明显的作用。本研究设计的微流控芯片能够实现药物诱导细胞,为筛选肿瘤药物提供了新的途径。     

基于微流控芯片的核酸等温扩增技术研究进展

核酸等温扩增技术是一种在恒温体系内对核酸进行高效扩增的分子扩增技术,它能够在短时间内实现目的基因的指数增长。微流控芯片(microfluidic chip)技术是把研究样品制备、核酸富集、纯化和检测等多个操作步骤集成到一块"微型化"的芯片上,经自动化处理,得出实验结果,即"样品进,结果出"。将核酸等温扩增技术与微流控芯片相结合,不仅可以实现核酸快速扩增,还可以降低对实验器材的依赖。在床边即时诊断、病原体快速筛查中具有广阔的应用前景。综合国内外相关研究报道,综述了各种等温扩增技术原理,以及基于微流控芯片的核酸等温扩增技术应用,展望了集成化微流控芯片的发展趋势和应用前景。     

Characterization of Leaf-Inspired Microfluidic Chips for Pumpless Fluid Transport

Microfluidic networks are extensively used in miniaturized lab-on-a-chip systems. However, most of the existing micro- channels are simply designed and the corresponding microfluidic systems commonly require external pumps to achieve effec- tive fluid transport. Here we employed microfabrication techniques to replicate naturally-optimized leaf venations into synthetic hydrogels for the fabrication of pumpless microfluidic chips. The unique properties of leaf-inspired microfluidic network in convectively transporting fluid were characterized at different inclination angles. Flow velocity inside these microfluidic net- works was quantitatively measured with Particle Image Velocimetry （PIV）. Mass diffusion from biomimetic microfluidic network to surrounding bulk hydrogels was investigated. The results demonstrate that the leaf-inspired microfluidic network can not only effectively transport fluid without the use of external pumps, but also facilitate rapid mass diffusion within bulk hy- drogel chips. These leaf-inspired microfluidic networks could be potentially used to engineer complex pumpless or- gan-on-a-chip systems.     

Quantification of chemical–polymer surface interactions in microfluidic cell culture devices

Microfluidic cell culture devices have been used for drug development, chemical analysis, and environmental pollutant detection. Because of the decreased fluid volume and increased surface area to volume ratio, interactions between device surfaces and the fluid is a key element that affects the performance and detection accuracy of microfluidic devices, particularly if fluid is recirculated by a peristaltic pump. However, this issue has not been studied in detail in a microfluidic cell culture environment. In this study, chemical loss and contaminant leakage from various polymer surfaces in a microfluidic setup were characterized. The effects of hydrophilic coating with Poly (vinyl alcohol), Pluronic® F‐68, and multi‐layer ionic coating were measured. We observed significant surface adsorption of estradiol, doxorubicin, and verapamil with PharMed® BPT tubing, whereas PTFE/BPT and stainless steel/BPT hybrid tubing caused less chemical loss in proportion to the fraction of BPT tubing in the hybrid system. Contaminants leaching out of the BPT tubing were found to be estrogen receptor agonists as determined by estrogen‐induced green fluorescence expression in an estrogen responsive Ishikawa cell line and also caused interference with an estradiol enzyme‐linked immunosorbent assay (ELISA) assay. Stainless steel/BPT hybrid tubing caused the least interference with ELISA. In summary, polymer surface and chemical interactions inside microfluidic systems should not be neglected and require careful investigations when results from a microfluidic system are compared with results from a macroscale cell culture setup. © 2009 American Institute of Chemical Engineers Biotechnol. Prog., 2009     

微流控芯片技术在食品领域中的应用

微流控芯片技术是一种全新的微量分析技术。介绍了微流控芯片技术的基本原理、特点及分类,并深入讨论了该技术在食品安全、营养、加工和风味等食品领域中的应用,包括有害化学物质、食品添加剂、转基因食品和食源性致病微生物等的检测,营养物质和功能成分的分析鉴定,食品工艺参数的调控以及食品风味成分的检测,展望了微流控芯片技术在食品领域的广阔应用前景。     

阵列光镊与微流控芯片技术的结合与应用

在生物医学研究领域中,阵列光镊与微流控芯片的结合已经成为进行细胞操纵、转移以及少量细胞样品分选等方面最有希望的方法之一。光镊技术对样品具有非接触弹性控制、无机械损伤、可无菌操作等优势,以及微流控芯片分析的高效、多功能、微型化、低成本等优势,成为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)的重要研究方面。该文概述了阵列光镊技术的形成与研究现状以及微流控芯片技术的发展与应用现状,分析了在不同阵列光镊形成方法下结合微流控芯片可实现的功能与应用,并对其发展趋势进行了展望。     

微流控芯片用于卵母细胞冷冻保存的实验研究

低温保存对卵母细胞造成渗透损伤、毒性损伤和冰晶损伤,使得细胞冻后质量难以提高.本文首次提出将微流控法添加-去除保护剂分别与三种冷冻载体(OPS、QC及Cryotop)搭配使用,对猪卵母细胞进行冷冻保存,并与传统冷冻法进行比较;然后,首次选用透明陶瓷和玻璃制作集成一体化芯片,对猪卵母细胞进行冷冻保存,以冷冻保存后的细胞存活率和发育率为判断依据,筛选出较好的方案;最后,对冻后卵母细胞的早期凋亡情况、胞内活性氧水平和线粒体膜电位水平进行分析.结果表明,微流控添加-去除保护剂组卵母细胞冻后存活率以及卵裂率都显著高于传统冷冻组,可以有效降低卵母细胞的早期凋亡率和胞内活性氧水平,减小线粒体损伤,提高细胞的冻后质量.透明陶瓷一体化芯片保存卵母细胞得到的存活率和卵裂率与传统OPS冷冻的保存结果无显著差异.微流控芯片技术为卵母细胞的低温保存提供新的思路,有较好的应用前景.     

A New Tool for Routine Testing of Cellular Protein Expression: Integration of Cell Staining and Analysis of Protein Expression on a Microfluidic Chip-Based System

The key benefits of Lab-on-a-Chip technology are substantial time savings via an automation of lab processes, and a reduction in sample and reagent volumes required to perform analysis. In this article we present a new implementation of cell assays on disposable microfluidic chips. The applications are based on the controlled movement of cells by pressure-driven flow in microfluidic channels and two-color fluorescence detection of single cells. This new technology allows for simple flow cytometric studies of cells in a microfluidic chip-based system. In addition, we developed staining procedures that work “on-chip,” thus eliminating time-consuming washing steps. Cells and staining-reagents are loaded directly onto the microfluidic chip and analysis can start after a short incubation time. These procedures require only a fraction of the staining reagents generally needed for flow cytometry and only 30,000 cells per sample, demonstrating the advantages of microfluidic technology. The specific advantage of an on-chip staining reaction is the amount of time, cells, and reagents saved, which is of great importance when working with limited numbers of cells, e.g., primary cells or when needing to perform routine tests of cell cultures as a quality control step. Applications of this technology are antibody staining of proteins and determination of cell transfection efficiency by GFP expression. Results obtained with microfluidic chips, using standard cell lines and primary cells, show good correlation with data obtained using a conventional flow cytometer.     

Helical spring template fabrication of cell‐laden microfluidic hydrogels for tissue engineering

Cell‐laden microfluidic hydrogels find great potential applications in microfluidics, tissue engineering, and drug delivery, due to their ability to control mass transport and cell microenvironment. A variety of methods have been developed to fabricate hydrogels with microfluidic channels, such as molding, bioprinting, and photopatterning. However, the relatively simple structure available and the specific equipment required limit their broad applications in tissue engineering. Here, we developed a simple method to fabricate microfluidic hydrogels with helical microchannels based on a helical spring template. Results from both experimental investigation and numerical modeling revealed a significant enhancement on the perfusion ability and cell viability of helical microfluidic hydrogels compared to those with straight microchannels. The feasibility of such a helical spring template method was also demonstrated for microfluidic hydrogels with complex three‐dimensional channel networks such as branched helical microchannels. The method presented here could potentially facilitate the development of vascular tissue engineering and cell microenvironment engineering. Biotechnol. Bioeng. 2013; 110: 980–989. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.     

微流控芯片技术在循环肿瘤细胞分离中的研究进展

循环肿瘤细胞(circulating tumor cells,CTCs)是指从原发肿瘤或转移灶脱落、发生上皮-间质转化进入患者外周血血液循环的恶性肿瘤细胞.CTCs在肿瘤研究和临床诊断上的作用逐渐得到认可,外周血中CTCs存在与否以及数量多少不但可以用于肿瘤的早期诊断,还可以用于评估肿瘤预后、监测肿瘤的转移和复发.微流控芯片作为一个高通量、小型化的细胞实验平台,已被应用于CTCs的分选当中.本文综述了用于CTCs捕获的微流控芯片系统的最新研究进展,着重介绍各类芯片的捕获原理、芯片结构和捕获效率,最后对微流控芯片技术在CTCs分选中的应用前景进行了展望.     

基于环介导等温扩增技术的微流控芯片在病原菌检测方面的研究进展

环介导等温扩增(LAMP)技术是一种新兴的核酸恒温扩增技术,与微流控芯片技术相结合,可实现对病原菌的快速检测,具有特异性强、灵敏度高、操作简单等优点。本文根据不同终产物的检测方法对目前检测病原菌的相关微流控LAMP芯片进行了分类与介绍,并对技术的改进和存在的问题进行了分析,以期为后续的相关研究提供参考。