研究人員開發(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)實驗室測試主要依賴專業(yè)機械和技術(shù)人員團隊，以確保他們安全和正確地完成診斷。這是一個非常昂貴的花費，即使是最基本的設(shè)備，可能花費也是數(shù)千美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過發(fā)展中國家能夠承受的價格。例如，分離血液的不同組分的離心機。

　　在沒有更便宜的選擇情況下，許多國家深受艾滋病毒或瘧疾影響。對這些國家的人來說，現(xiàn)代診斷也許是魔術(shù)。

　　現(xiàn)在，一個斯坦福工程師團隊已經(jīng)找到了一個更便宜的替代品。在美國國家科學(xué)院學(xué)報中發(fā)表的一項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，每個芯片是通過標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印，只需要20分鐘即可組裝。

　　“據(jù)我們所知，這樣一個具有類似功能、成本和優(yōu)勢的平臺尚未被報道，”該團隊領(lǐng)導(dǎo)者Ronald Davis博士在他們的論文總結(jié)中說道。

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

　　診斷：從物理實驗室到芯片實驗室

　　當(dāng)像HIV或瘧疾這樣的疾病發(fā)作時，并不是每個細(xì)胞都會被感染。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，以使機器可靠地挑選它們。這一步是漫長而艱難的，不是所有的靶細(xì)胞都標(biāo)記有標(biāo)記，有時標(biāo)記本身可以改變細(xì)胞的特性，這會中斷隨后的讀數(shù)。

　　大約15年前，科學(xué)家開始探索將整個過程簡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)家做了幾十個專門的傳感器，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，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，實驗室第一個芯片器件誕生了。

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

　　研究作者Rahim Esfandyarpour博士向Singularity Hub說，“[這些]平臺通常需要使用無塵室、先進的設(shè)備和經(jīng)過高度培訓(xùn)的人員來執(zhí)行制造程序。這整個過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)避這些問題， Davis的團隊轉(zhuǎn)向一個令人驚訝的制造設(shè)備：噴墨打印機。

　　新的芯片稱為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。

　　制造芯片是一個簡單的兩步過程。

　　首先，用戶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)用戶的確切需要定制芯片。

　　接下來，使用任何噴墨打印機，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)給用戶的一次性使用的腔室上。

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

　　“生產(chǎn)只需要20分鐘，”Esfandyarpour說。

　　與之前的微芯片類似，F(xiàn)INP芯片基于其固有的電性能分離細(xì)胞和生物分子。作為概念驗證，該團隊設(shè)計了一種具有兩種類型腔室的芯片：一種分離細(xì)胞，另一種分析細(xì)胞。然后他們通過一系列實驗運行器件來驗證芯片。

　　在一個測試中，團隊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)類似，癌細(xì)胞具有獨特的表面電荷。通過操縱電子領(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)胞類型。

　　由于選擇罕見的循環(huán)腫瘤細(xì)胞的能力可以增加我們對癌癥轉(zhuǎn)移的了解，該設(shè)備可以幫助我們檢測疾病的早期傳播和拯救生命。這對發(fā)展中國家來說非常重要。

　　在另一個實驗中，團隊想要查看芯片是否可以用于精確計數(shù)給定樣品中的細(xì)胞數(shù)。免疫細(xì)胞計數(shù)通常用于診斷感染性疾病，如結(jié)核病和瘧疾。傳統(tǒng)上使用稱為流式細(xì)胞術(shù)的技術(shù)，設(shè)備花費10萬美元。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)生帶來便宜、便攜和可靠的工具。

　　在此之前，你可能聽說過一些以前的設(shè)計，如一個只需50美分的可折疊顯微鏡，或一個不需要電的紙離心機。

　　Davis和他的團隊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)用的平臺在商業(yè)化之前都必須通過幾個測試，以此驗證和優(yōu)化路徑。”Esfandyarpour說。

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