如何制作一枚医学微芯片？

原文以The making of a medical microchip为标题

发布在2017年5月24日的《自然》科技专题上

原文作者：Amber Dance

在Dino Di Carlo位于加州大学洛杉矶分校的实验室，生物工程师们一天中有许多时间都从头到脚包裹得严严实实，而且看起来脸色蜡黄。这些工程师在洁净室工作，在那里，经过过滤的稳定气流会去除空气中的颗粒物。蓝光或紫光会导致他们使用的光敏材料固化，所以只能使用奶黄色的灯光。

他们与该领域的其他科学家正在制造用于预处理和分析血液和其他流体样本，以诊断基因突变 （比如癌细胞携带的突变） 的工具。此类工具一般不需要用到洁净室，但Di Carlo实验室开发的工具依赖于流体沿管道流动的能力，这些管道小到可能会被一颗灰尘堵住：这一领域被称作微流体技术。理论上，这些在载玻片大小的芯片上开展的分析应该是快速而自动化的：输入样品，读出结果，简单得连新手都可以使用。但在实际中，这些设备很少能做到全自动运行，通常都需要一些样品预处理过程。

上图中的这款芯片由Fluidigm开发，可用于微流体系统中样本基因组信息的分析；样本甚至可以小至一个单细胞。

Fluidigm

包括Di Carlo在内的科研人员正在着手解决这些缺点，试验各种材料和设计，好让芯片更易制作。他们面临的挑战包括预测狭小空间内的流体行为，以及制作出高效廉价的芯片等。日本冲绳科学技术大学院大学的化学工程师Amy Shen指出，解决这些问题需要多学科合作。带来的回报则包括节省实验室时间和经费、开发加速遗传病和传染病诊断的医疗仪器等等。

通过微流体系统，科学家得以对珍贵或数量有限的样品加以利用，在使用昂贵试剂时获得更多的结果。对体积微小的液体进行操作使得快速并行分析成为了可能。由于只有机器才能操纵这么微小的体积，微流体系统也有利于自动化实验流程，从而减少了人为操作失误。理想情况下，就连只受过极少训练的技术人员也能开展试验。

这一目标仍然难以实现。目前，开发人员重点关注的是将分析血液和其他体液中DNA或RNA的过程微型化，比如开发微小版的聚合酶链式反应 （PCR） 仪来复制和量化稀有的基因序列，或通过杂交来连接核酸与荧光探针。其结果是，微芯片方法往往需要使用已经经过处理的生物材料：举例来说，需要先去除会干扰反应的组分。位于法国巴黎的基础科学研究机构，法国国家科学研究中心 （CNRS） 的研究主管Jean-Louis Viovy表示，主要瓶颈在于“试图扩大微流体领域的工具箱，从而把从实际样本到获得结果过程中的各个步骤都集成在微流体系统中。” Viovy也是巴黎附近的微流体公司Fluigent的技术创始人。

清除疾病

Di Carlo的实验室为一种特殊的样本处理过程开发了方法：分离循环肿瘤细胞 （CTCs） 。CTCs是一种血液肿瘤标志物，能揭示出肿瘤起源和引起肿瘤的突变。实验室使用了常用的光刻技术，以透明硅橡胶材料PDMS为原材料制作芯片。在洁净室，工程师将光刻胶铺在圆形硅片 （即制作计算机微芯片的材料） 上。 然后，工程师模仿半导体业的流程，将打印出来的黑色“光掩模” （上有芯片所需的管道形状，管道部分透光） 覆盖在光刻胶上，再将其在紫外光下曝光，使透光部分的光刻胶固化，从而产生与芯片管道结构相反的模具。

然后，Di Carlo的工程师回到普通实验室，为了制作芯片，他们将液态的PDMS倒在先前做好的具有管道结构的硅片上，并在65摄氏度下烘干，以固化PDMS。 最后，他们将一个载玻片与PDMS的底部粘合在一起，就制成了一个原型芯片；它看起来和摸起来都像是一种特别结实的透明胶状物。整个过程大概需要一天。

Di Carlo说，一旦他们选定了一种能够满足他们目标的设计，他们就会订制塑料版本的芯片。塑料芯片的制作过程与塑料玩具一样。

大多数芯片制作技术产出的都是二维结构，但三维结构有时也很有价值。在Di Carlo正在设计的一种芯片中，他使用磁场将液体从一个狭窄的管道拉到一个更高、更宽的管道。随着液体开始在较大的腔体中铺展，表面张力会使它形成球体，进而变成液滴。Di Carlo说：“它基本上是一种纳升级的移液器，这种操作是人手工无法实现的。” 芯片能通过这种分割方法将血液等流体分成多个离散的反应小室，从而同时进行多个实验。

要制作三维芯片，科学家们通常需要将聚合物层层堆叠在光刻模具中。然而，一种入门级芯片制作方法的设计者表示，3D打印正在改变这一状况，因为它不需要太多专业知识或设备。荷兰瓦赫宁根大学的化学家Vittorio Saggiomo在家中偶然萌生了这个想法。他 会3D打印塑料工具 （比如小灯或者移液器支架） 和有趣的东西 （比如鸟窝）