研究人員開(kāi)發(fā)出僅一厘米大小的診斷癌癥的3D打印芯片

　　醫(yī)學(xué)診斷感覺(jué)像變魔術(shù)一樣。只需幾滴血，醫(yī)生就可以快速解讀病人的健康狀況，如生物標(biāo)記水平是否在范圍內(nèi)?有感染的跡象嗎?患者的細(xì)胞是健康的，還是有癌變跡象?

　　在診斷生命和呼吸技術(shù)方面，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試主要依賴(lài)專(zhuān)業(yè)機(jī)械和技術(shù)人員團(tuán)隊(duì)，以確保他們安全和正確地完成診斷。這是一個(gè)非常昂貴的花費(fèi)，即使是最基本的設(shè)備，可能花費(fèi)也是數(shù)千美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)發(fā)展中國(guó)家能夠承受的價(jià)格。例如，分離血液的不同組分的離心機(jī)。

　　在沒(méi)有更便宜的選擇情況下，許多國(guó)家深受艾滋病毒或瘧疾影響。對(duì)這些國(guó)家的人來(lái)說(shuō)，現(xiàn)代診斷也許是魔術(shù)。

　　現(xiàn)在，一個(gè)斯坦福工程師團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了一個(gè)更便宜的替代品。在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)中發(fā)表的一項(xiàng)研究描述了一種可重復(fù)使用的小型微芯片，可以診斷多種疾病。

　　據(jù)悉，每個(gè)芯片是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印，只需要20分鐘即可組裝。

　　“據(jù)我們所知，這樣一個(gè)具有類(lèi)似功能、成本和優(yōu)勢(shì)的平臺(tái)尚未被報(bào)道，”該團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)者Ronald Davis博士在他們的論文總結(jié)中說(shuō)道。

　　“這真的是一個(gè)大的突破，”斯克里普斯翻譯科學(xué)研究所的Eric Topol博士說(shuō)。 “我不知道用什么詞來(lái)形容”。

　　診斷：從物理實(shí)驗(yàn)室到芯片實(shí)驗(yàn)室

　　當(dāng)像HIV或瘧疾這樣的疾病發(fā)作時(shí)，并不是每個(gè)細(xì)胞都會(huì)被感染。為了獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，科學(xué)家經(jīng)常首先嘗試隔離罪魁禍?zhǔn)准?xì)胞。

　　由于患病人群的細(xì)胞通常是比健康細(xì)胞小得多，科學(xué)家經(jīng)常需要用特殊標(biāo)記標(biāo)記他們，以使機(jī)器可靠地挑選它們。這一步是漫長(zhǎng)而艱難的，不是所有的靶細(xì)胞都標(biāo)記有標(biāo)記，有時(shí)標(biāo)記本身可以改變細(xì)胞的特性，這會(huì)中斷隨后的讀數(shù)。

　　大約15年前，科學(xué)家開(kāi)始探索將整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)化和小型化的可能性。大多數(shù)細(xì)胞和生物分子具有不同的性質(zhì)，如大小、形狀、密度和電荷。利用這些屬性，科學(xué)家做了幾十個(gè)專(zhuān)門(mén)的傳感器，只捕獲具有特定屬性的生物顆粒。

　　當(dāng)與微流體(一種處理少量液體的技術(shù))結(jié)合時(shí)，傳感器即將從血液和其他生物樣品的液滴中分離血細(xì)胞、螯合細(xì)菌，或抓住各種蛋白質(zhì)和DNA分子。就是這樣，實(shí)驗(yàn)室第一個(gè)芯片器件誕生了。

　　幾乎在同一時(shí)刻，全球衛(wèi)生倡導(dǎo)者意識(shí)到這些便攜式診斷設(shè)備對(duì)于幫助貧窮的發(fā)展中國(guó)家的潛力。

　　研究作者Rahim Esfandyarpour博士向Singularity Hub說(shuō)，“[這些]平臺(tái)通常需要使用無(wú)塵室、先進(jìn)的設(shè)備和經(jīng)過(guò)高度培訓(xùn)的人員來(lái)執(zhí)行制造程序。這整個(gè)過(guò)程可能需要幾天或幾周。”

　　柔性噴墨納米顆粒印刷生物芯片

　　為了規(guī)避這些問(wèn)題， Davis的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向一個(gè)令人驚訝的制造設(shè)備：噴墨打印機(jī)。

　　新的芯片稱(chēng)為FINP芯片，是一種模塊化的三層夾心結(jié)構(gòu)，頂部可重復(fù)使用的層由直接印刷在柔性聚乙烯片上的市售導(dǎo)電顆粒制成。底層是設(shè)計(jì)成保持生物流體的一次性硅膠腔室。薄的絕緣阻擋層將頂部電子器件與硅膠腔室隔開(kāi)。

　　制造芯片是一個(gè)簡(jiǎn)單的兩步過(guò)程。

　　首先，用戶(hù)可以使用任何矢量繪圖軟件(例如Adobe Illustrator)繪制定制的電子配置。由于不同的配置可用于不同的診斷目的，此步驟可根據(jù)用戶(hù)的確切需要定制芯片。

　　接下來(lái)，使用任何噴墨打印機(jī)，將繪制的電子圖案印刷在便宜的塑料狀片材上，并且沖壓到可以批量供應(yīng)給用戶(hù)的一次性使用的腔室上。

　　就像3D打印一樣，這些設(shè)計(jì)最終可以下載，允許任何打印機(jī)在需要時(shí)生成自己的生物芯片。

　　“生產(chǎn)只需要20分鐘，”Esfandyarpour說(shuō)。

　　與之前的微芯片類(lèi)似，F(xiàn)INP芯片基于其固有的電性能分離細(xì)胞和生物分子。作為概念驗(yàn)證，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有兩種類(lèi)型腔室的芯片：一種分離細(xì)胞，另一種分析細(xì)胞。然后他們通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)運(yùn)行器件來(lái)驗(yàn)證芯片。

　　在一個(gè)測(cè)試中，團(tuán)隊(duì)顯示該裝置可以有效地從流體樣品中捕獲乳腺癌細(xì)胞。與大多數(shù)生物分子(如蛋白質(zhì)和DNA)類(lèi)似，癌細(xì)胞具有獨(dú)特的表面電荷。通過(guò)操縱電子領(lǐng)域，研究人員能夠?qū)┘?xì)胞導(dǎo)向芯片上的特定室，并將其捕獲在那里，遠(yuǎn)離所有其他細(xì)胞類(lèi)型。

　　由于選擇罕見(jiàn)的循環(huán)腫瘤細(xì)胞的能力可以增加我們對(duì)癌癥轉(zhuǎn)移的了解，該設(shè)備可以幫助我們檢測(cè)疾病的早期傳播和拯救生命。這對(duì)發(fā)展中國(guó)家來(lái)說(shuō)非常重要。

　　在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)想要查看芯片是否可以用于精確計(jì)數(shù)給定樣品中的細(xì)胞數(shù)。免疫細(xì)胞計(jì)數(shù)通常用于診斷感染性疾病，如結(jié)核病和瘧疾。傳統(tǒng)上使用稱(chēng)為流式細(xì)胞術(shù)的技術(shù)，設(shè)備花費(fèi)10萬(wàn)美元。使用芯片，其診斷結(jié)果也表現(xiàn)良好。

　　民主化診斷

　　FNIP芯片是節(jié)儉科學(xué)的最新勝利，其為世界各地的醫(yī)生帶來(lái)便宜、便攜和可靠的工具。

　　在此之前，你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)一些以前的設(shè)計(jì)，如一個(gè)只需50美分的可折疊顯微鏡，或一個(gè)不需要電的紙離心機(jī)。

　　Davis和他的團(tuán)隊(duì)正在努力使他們的芯片商業(yè)化。

　　“任何用于診斷或其他生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的平臺(tái)在商業(yè)化之前都必須通過(guò)幾個(gè)測(cè)試，以此驗(yàn)證和優(yōu)化路徑。”Esfandyarpour說(shuō)。

　　“我們相信，這項(xiàng)工作將使更多的資源貧乏的發(fā)展中國(guó)家的個(gè)人獲得診斷工具，”Davis說(shuō)。