微流控芯片：在小小芯片上实现常规化学或生物实验室功能

2017年国家自然科学基金委资助项目公布，南科大获资助项目共91项，资助率达到38.24%，高出全国平均数17.15个百分点。这是南科大成立短短几年来，科研工作取得累累硕果的又一精彩印记。以“创知、创新、创业”为特色的南科大，一直在努力创造国际一流学术成果并推动科技应用，为国家建设和社会发展贡献智慧和力量。

为了让社会更好了解学校最新的科研成果，向科研人员提供开展交叉合作的动态信息，给学子们带来选择研究领域的有益引导，我们推出“聚焦南科大之前沿科技”系列报道，希望跟大家分享交流学校部分教授团队的研究工作和进展，敬请垂注。

2017年5月10日，国家科技部发布《“十三五”生物技术创新专项规划》，加快推进生物技术与生物技术产业发展。《规划》提到，要重视发展蛋白质测序技术、新型质谱和微流控芯片技术；发展单细胞分离、基因组扩增、转录组扩增和单细胞基因组分析技术等一些列生物技术领域技术的发展。微流控芯片技术应用广泛，未来，推动该领域的研究将具有重要的意义。

南科大材料科学与工程系教授程鑫带领的课题组在微纳加工技术及其在纳米压印、半导体工艺与器件、纳米光学等多种应用领域具有丰富的研究经验，近年来，在微流控芯片领域开展了大量创新性研究工作，并取得了一系列成果。

多种单元技术在微小平台上灵活组合规模集成

微流控芯片实验室示意图

微流控芯片技术（Lab on a chip）是一种以分析化学和生物技术为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，以生化分析为应用对象的全新技术。其目标是把化学和生物等领域中所涉及的采样、稀释、进样、反应、分离、检测，细胞培养、分选、内涵物检测等基本操作单元集成到很小的芯片上，实现常规化学或生物实验室的功能。

由于微流控芯片可将多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合和规模集成，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程，从而可以实现高程度的集成化和自动化，进而减少污染、降低干扰和人为误差。有着体积轻巧、使用样品及试剂量少，且反应速度快、可大量平行处理及可即用即弃等优点的微流控芯片，在生物、化学、医学等领域有着的巨大潜力，近年来已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

高通量单细胞“捕捉配对”为精准细胞融合提供平台

用于单细胞捕捉及配对的微流控芯片示意图

程鑫教授的实验室团队建立了实现高通量的细胞捕捉和配对的介电电泳(Dielectrophoresis, DEP)微流控芯片平台，DEP芯片系统可以根据不同的功能需求进行“定制化”的设计以及利用微加工的方式进行制备。在单细胞捕捉和配对的操控中，DEP芯片通过改变施加电压的频率等条件, 能够控制细胞受正介电电泳力作用向高电场或者受负介电电泳力作用向低电场运动, 从而将群细胞分离并将不同种类的单细胞配对到微腔阵列中，实现高通量单细胞的捕捉和配对。芯片的制备结合了光刻，刻蚀，磁控溅射，3D打印等多种制备方法，目前已经实现了高达80%以上的单细胞捕捉效率和70%以上的细胞配对效率。

这项单细胞捕捉技术可以有效应用于多种单细胞生物学行为的研究中。例如，在对细胞代谢的研究中，通过高通量DEP芯片有效分离捕捉单细胞后，可以实现对单个细胞钙离子浓度的实时监测，发现经过一定的刺激后，一些细胞表现出钙离子浓度随时间反复的升高或降低这一独特的响应模式，这对于疾病的诊断和治疗具有十分重要的意义。又如，在单细胞测序领域，一个细胞里的DNA或者RNA仅仅处在皮克级的水平，这么少的量远远达不到现有测序仪的最低上样需求。因此科学家们必须先对单细胞内的微量核酸分子进行扩增，以便开展后续的测序及其他研究。利用高通量DEP芯片将细胞分离到独立的微腔内，在微腔内直接进行PCR扩增，从而可以实现高通量的单细胞测序，期望能够为人们揭示更多复杂生物学体系重要线索。

这种高通量DEP微流控芯片不仅可以实现高效率的单细胞捕捉，而且可以有效实现高通量的单细胞配对的操控，在细胞融合和细胞间相互作用领域有着重要的应用前景。以细胞融合为例，细胞融合也被称为细胞杂交，是通过诱导和培养等方法，使两个或两个以上的同源或异源细胞在离体条件下形成杂合细胞的过程。目前已经成为现代生物工程技术研究中的一项重要手段。细胞融合技术在遗传学、免疫医学、发育生物学、药物或基因传输、杂交育种等研究领域具有广泛应用。

因此，精准的单细胞捕获和配对是开展细胞融合研究的前提，需要设计和构建行之有效的单细胞配对实验平台。目前这种高通量DEP微流控芯片已经实现了在3000多个微腔阵列的芯片上高达70%以上的配对效率，为精准细胞融合提供了良好的平台。

对循环肿瘤细胞进行有效分选和计数

用于循环肿瘤细胞（CTCs）分选-计数的微流控芯片示意图

当前全球新一轮科技革命和产业变革蓄势待发，合成生物技术展现出巨大潜力，个性化医疗和精准医学改变传统的疾病诊疗模式并推动医药产业变革。

循环肿瘤细胞（circulating tumor cells ，CTCs）是从形成的肿瘤实体上脱落，进入人体外周循环血的各类肿瘤细胞的统称，是肿瘤开始转移的标志，也一直是癌症治疗的一大挑战。

虽然近年来科学家们开发了各种致力于使人体摆脱原发性肿瘤的技术，但是如何防治肿瘤转移依然是一个巨大的挑战。及时定位和捕获循环肿瘤细胞，对于癌症早期诊断、预后分析、个性化医疗、肿瘤单细胞测序等研究方向具有重要的意义。

基于这个目标，程鑫课题组还开发了一种用于循环肿瘤细胞筛选-分离-计数的微流控芯片平台。循环肿瘤细胞在血液中的含量极为稀少，血液中血细胞与循环肿瘤细胞的浓度之比大于106，而癌症患者每毫升血液中的循环肿瘤细胞（CTCs）的个数在10个以下，如何有效地分离与富集循环肿瘤细胞是当前研究的重点和挑战。

程鑫课题组开发的这种微流控芯片平台采用滤膜分选的方式对循环肿瘤细胞（CTCs）进行分选，包含有上层的样品流通层，中间的多微孔过滤层，以及下层的支撑及废液层。血液样本流入芯片后，循环肿瘤细胞会（CTCs）从上层出口流出或被限制在上层沟道内，通过对器件进行冲洗，可以将残留在器件内的循环肿瘤细胞（CTCs）冲洗出来，完成对循环肿瘤细胞的有效分选和计数。