微流控技術的生物學應用

微流控技術為在推動生物學眾多領域的強大工具做出了巨大貢獻。隨著用于微通道中流體的注射、混合、泵送和存儲的新器件和工藝的發(fā)展，近年來微流控系統(tǒng)在化學和生物化學中的應用越來越廣泛。
盡管微流控技術近年來取得了一定進展，但在樣品引入和處理一定體積范圍的流體方面仍然存在一些挑戰(zhàn)。納米技術的最新發(fā)展則有助于提升微流控技術。微系統(tǒng)已經(jīng)徹底改變了可用于分析復雜樣品的高靈敏度生物分析系統(tǒng)的發(fā)展。這些器件可用于多種領域，包括臨床診斷、污染監(jiān)測、藥物發(fā)現(xiàn)和生物危害檢測等。

生物學研究
微流控系統(tǒng)具有樣品要求低、測試表面積大、系統(tǒng)占用空間小等優(yōu)點，是生物學研究的理想平臺。如今這些技術已被用于研究細胞和整個生物體。該技術簡化了其它繁瑣的操作，如流量控制、刺激傳遞和動物處理等。
目前，一些微型裝置已經(jīng)成功地用于研究響應空間或時間刺激下的神經(jīng)元活動的變化參數(shù)。微流控技術在“迷宮實驗”中對動物的感覺功能和運動行為研究非常有幫助。該技術還可以進行成像、表型篩選以及神經(jīng)再生研究。
微流控系統(tǒng)的關鍵用途之一是單細胞的分離和生化研究。事實上，據(jù)已報道的研究表示，現(xiàn)已通過微流控系統(tǒng)成功測量了單個大腸桿菌細胞中β-半乳糖苷酶的表達。
干細胞研究
干細胞研究極大地受益于微流控技術的進步。與傳統(tǒng)方法相比，微型化有助于干細胞分析更加深入。將微流控技術與熒光顯微鏡等設備相結合，可以提供一種更加系統(tǒng)化的干細胞研究方法，同時也展現(xiàn)出了良好的醫(yī)學應用前景。
然而，為了更廣泛地應用于復雜的干細胞研究問題，微流控的某些方面，如易用性、用于生產(chǎn)微流控器件的材料以及與其它系統(tǒng)集成等方面的問題還有待解決。
化學生物學研究
梯度
微流控技術可以控制通道中的流體層流流動，從而產(chǎn)生多個數(shù)量級的濃度梯度。目前已經(jīng)有一些研究使用這些梯度來分析蛋白梯度中的中性粒細胞的遷移和白細胞介素-8（IL-8）梯度中的人中性粒細胞趨化性。
凝膠結構
當在瓊脂凝膠或瓊脂糖凝膠中使用軟光刻工藝來構建微流控系統(tǒng)時，它們可形成生物相容的微結構，而該微結構可以充當容器，并且可用在有表型改變分子的情況下培養(yǎng)微生物細胞。
陣列
包含交叉微通道陣列的微流控系統(tǒng)還可用于與細胞或蛋白質的分子相互作用的研究。此類系統(tǒng)已用于多種類型的檢測，包括病原微生物的檢測和血清樣品中蛋白質的檢測。
液滴
微流控技術現(xiàn)已被用來設計能夠在微通道中產(chǎn)生微小液滴的系統(tǒng)。這些液滴體積非常?。ㄍǔＲ云ど秊橛嬃繂挝唬?，可用于液體生物反應器等一些大家比較關注的應用中。
微流控稀釋器
微流控稀釋器可對溶液或試劑進行一系列稀釋。當用于實驗時，它們就類似于96孔板（96-well plate），但是試劑使用量較少，并且相對容易操作。
微生物研究
如今微流控技術已經(jīng)使秀麗隱桿線蟲的研究成為可能。用于秀麗隱桿線蟲研究的芯片大致分為行為分析芯片、高分辨率成像芯片和片上培養(yǎng)的芯片，盡管沒有任一器件屬于單一類別。大多數(shù)器件是帶有通道、微腔或微柱的PDMS芯片。如圖1a所示，大多數(shù)器件都與載玻片粘合，因此與環(huán)境隔絕。這些器件還包含用于蠕蟲進出的訪問端口。通道和微腔由液體介質填充，通常是M9緩沖液，并且進入端口允許介質交換，從而能夠輸送可溶性化學刺激物。PDMS芯片也可以用于瓊脂表面，如圖1b所示。在這種情況下，蠕蟲在受控氣體環(huán)境下的同時還能夠在瓊脂表面爬行。通常，當蠕蟲在瓊脂表面爬行或必須從菌苔進食時，這些裝置更適合用于觀察。
新的緊湊型系統(tǒng)能夠在芯片上進行行為分析、運動研究或長期微生物培養(yǎng)。這項新技術有助于將蠕蟲處理和成像結合起來，從而促進光遺傳學研究和基因篩選。
微流控具有體積小、成本低、廢物產(chǎn)生少等諸多優(yōu)點，有利于生物學家和生物化學家展開進一步的研究。展望未來，微流控技術將有望在單細胞分析、基于細胞的分析、基因表達分析和表型篩選等領域中創(chuàng)造更經(jīng)濟適用的方法，同時發(fā)揮出更大的作用，這些方法也將改變全球醫(yī)療保健研究。
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審核編輯 黃宇