一、MEMS技術(shù)的興起

90年代初期興起的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)是微全分析系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的第一大里程碑，MEMS融合了微電子與精密機(jī)械加工技術(shù)，包含微傳感器、微執(zhí)行器及信號(hào)處理、控制電路等，利用三維加工技術(shù)制造微米或納米尺度的零件、部件或集光機(jī)電于一體，完成一定功能的復(fù)雜微細(xì)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)“片上系統(tǒng)”的發(fā)展方向。

MEMS技術(shù)的實(shí)質(zhì)是半導(dǎo)體工藝，可以將三極管的尺寸做到比硅粒還要小，利用該項(xiàng)技術(shù)可以研制出基于半導(dǎo)體工藝的一些器件，例如轟動(dòng)一時(shí)的小型直升飛機(jī)、小型齒輪的推出等。MEMS技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于可將所有的器件不僅能夠呈現(xiàn)出一層，還可實(shí)現(xiàn)多層豐富的立體結(jié)構(gòu)。

當(dāng)今MEMS技術(shù)最有代表性的部件為壓力傳感器，MEMS壓力傳感器可以用類似集成電路(IC)設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝，進(jìn)行高精度、低成本的大批量生產(chǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械量傳感器，MEMS壓力傳感器的尺寸更小，最大的不超過1cm，使性價(jià)比相對(duì)于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)大幅度提高。

二、MEMS與高分子化學(xué)技術(shù)的結(jié)合——“芯片實(shí)驗(yàn)室”

第二大里程碑則是MEMS與高分子化學(xué)技術(shù)的結(jié)合。僅僅采用半導(dǎo)體工藝研制的芯片不能完全滿足化學(xué)家和生物學(xué)家的要求，化學(xué)材料芯片(即高分子芯片)的問世是微全分析領(lǐng)域的一項(xiàng)突破性進(jìn)展，現(xiàn)已成為微全分析系統(tǒng)的核心器件。

Lab-on-a-chip(芯片實(shí)驗(yàn)室)概念的提出

微全分析系統(tǒng)在應(yīng)用上的貢獻(xiàn)則是90年代末期Lab-on-a-chip(芯片實(shí)驗(yàn)室)概念的提出?！癓ab-on-a-chip” 是以芯片為平臺(tái)的微全分析系統(tǒng)，它是把生物和化學(xué)等領(lǐng)域所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)分離與檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過程，并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行分析的一種技術(shù)。通俗言之，就是將生物實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室等搬到一個(gè)芯片上，取代實(shí)驗(yàn)室中各種各樣的器件、管道等。目前主要通過微陣列和微流控這兩種方式來實(shí)現(xiàn)。

Lab-on-a-chip 概念一經(jīng)提出，迅速獲得全球科學(xué)和產(chǎn)業(yè)屆推崇，如：2004年9月美國Business 2.0雜志的封面文章稱，芯片實(shí)驗(yàn)室是“改變未來的七種技術(shù)”之一。2001年創(chuàng)刊的《Lab on a chip》(芯片實(shí)驗(yàn)室)期刊現(xiàn)在影響因子已達(dá)6.5。在2006年7月出版的《Nature》上，共發(fā)表了包含有7篇述評(píng)文章的“芯片實(shí)驗(yàn)室”專輯，非常系統(tǒng)地?cái)⑹隽?a title='微流控芯片' target='_blank' href='http://ikhwaa.com/yiqi/' class='seolabel'>微流控芯片的研究歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用背景。

三、將微流控技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的研究領(lǐng)域

疾病診斷和藥物篩選是現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究中的兩個(gè)重要課題，對(duì)提高人類的健康水平和生活質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。我國作為一個(gè)發(fā)展中的人口大國，面臨很大的醫(yī)療衛(wèi)生方面的壓力，迫切需要發(fā)展快速準(zhǔn)確的疾病診斷新方法和研發(fā)高通量高內(nèi)涵新藥。藥物篩選是新藥開發(fā)的關(guān)鍵步驟，細(xì)胞水平篩選因其更接近于生理?xiàng)l件，準(zhǔn)確率高，干擾因素少，正逐步成為藥物篩選的主流。

微流控快速在線酶解技術(shù)

復(fù)旦大學(xué)楊芃原教授向我們介紹了由其課題組開發(fā)的微流控快速在線酶解技術(shù)。酶解是蛋白質(zhì)組分析的重要前處理方法，傳統(tǒng)的酶解常需在37℃下進(jìn)行12小時(shí)(即過夜)，在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中是一個(gè)耗時(shí)較長的過程。課題組創(chuàng)新地將酶用介孔材料固定在微流控分析芯片上，大大增加了酶和蛋白的碰撞次數(shù)，反應(yīng)速率提高1000倍，酶解時(shí)間由原先的12小時(shí)縮短到只需2秒的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了微流控芯片上的高通量快速在線酶解，并大大減少了耗樣量。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高通量、高靈敏度的蛋白質(zhì)組學(xué)研究是一項(xiàng)顯著的技術(shù)革新。

用微流控芯片研究腫瘤細(xì)胞

微流控芯片已被證實(shí)的一大應(yīng)用是研究細(xì)胞(比如腫瘤細(xì)胞)和環(huán)境的相互作用。每個(gè)人達(dá)到一定的年齡階段，都有發(fā)生細(xì)胞癌變的可能，腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移往往是導(dǎo)致死亡的主要原因，目前在臨床上的主要手段就是當(dāng)腫瘤長到一定程度快轉(zhuǎn)移時(shí)，將其割掉，但大多數(shù)病人的存活期還是非常短。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類希望能夠和腫瘤細(xì)胞和平共處，因此希望能研究清楚腫瘤細(xì)胞在什么環(huán)境下可以保持較為惰性的狀態(tài)，甚至發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

楊教授課題組從人類干細(xì)胞的研究中得到很多啟示，比如人類干細(xì)胞通過適當(dāng)改造可以具有逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，而腫瘤組織中存在的某些癌細(xì)胞，在腫瘤形成過程中可充當(dāng)干細(xì)胞的角色。課題組主要利用芯片來培養(yǎng)癌癥細(xì)胞，通過觀察癌癥細(xì)胞的各種反應(yīng)，以及和其它細(xì)胞之間的相互作用，來研究腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的機(jī)制，試圖來Educate(教會(huì))腫瘤細(xì)胞如何轉(zhuǎn)換成良性。