上世紀(jì)80年代，微流控技術(shù)橫空出世，人們對(duì)小規(guī)模操縱流體的興趣穩(wěn)步增長(zhǎng)，各種平臺(tái)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。作為傳統(tǒng)微流控系統(tǒng)的進(jìn)化方案，液滴微流控技術(shù)利用微小通道來精確控制液滴生成、操控和分析，具備低樣品量、多功能集成、高靈敏度以及對(duì)傳質(zhì)傳熱控制精度高等特點(diǎn)。憑借精細(xì)的液滴操縱能力，科學(xué)家能夠如剝絲抽繭般層層解析復(fù)雜系統(tǒng)，深入探索微觀世界，目前該技術(shù)已在多個(gè)行業(yè)中展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，如合成生物學(xué)、醫(yī)學(xué)與診斷學(xué)、藥物開發(fā)篩選、生化分析檢測(cè)等。
1. 合成生物學(xué)
合成生物學(xué)是一項(xiàng)新興熱門研究學(xué)科，其主要通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)，幫助人類解決在能源、環(huán)保、材料、健康等方向遇到的問題。以微生物為底盤，構(gòu)建一系列的生物工廠，可以實(shí)現(xiàn)大量生物基產(chǎn)品的可持續(xù)生產(chǎn)。液滴微流體技術(shù)作為一種多功能且強(qiáng)大的技術(shù)，可以高通量生成和操縱納皮升體積的液滴，為各種微生物學(xué)研究開辟了新的途徑。從解決單細(xì)胞異質(zhì)性到研究微生物群落的時(shí)空動(dòng)力學(xué)，從微生物群的精確定量到微生物相互作用的系統(tǒng)破譯，從分離稀有和未培養(yǎng)的微生物到改進(jìn)遺傳工程菌株。液滴微流控技術(shù)通過將微生物封裝在微滴中，可以觀察少量細(xì)胞甚至單個(gè)細(xì)胞在孤立環(huán)境中的異質(zhì)性，消除了由于生長(zhǎng)速率差異引起的物種間競(jìng)爭(zhēng)和研究偏差，代謝物在液滴中的快速積累使?jié)舛纫蕾囆赃^程易于激活。液滴微流體技術(shù)允許以高達(dá)每秒成千上萬個(gè)液滴生成速度進(jìn)行樣本的處理和分析，通過不同模塊的配置實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的精確操作，包括液滴生成、孵育、融合、分裂和分選等，這為微生物的超高通量鑒定、篩選和菌株改造和進(jìn)化開辟了可能性。
圖1 基于液滴微流控的篩選平臺(tái)開發(fā)，用于差向異構(gòu)酶定向進(jìn)化篩選（Angewandte Chemie,2023,62(10):）
2. 醫(yī)學(xué)與診斷學(xué)
隨著科學(xué)的發(fā)展，精準(zhǔn)醫(yī)療正逐漸成為醫(yī)療行業(yè)的前沿領(lǐng)域。精準(zhǔn)醫(yī)療基于基因組信息、個(gè)體特征、環(huán)境因素和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，制定個(gè)性化預(yù)防和診療方案，提供更為有效的醫(yī)療服務(wù)。在傳統(tǒng)的醫(yī)療診斷中，細(xì)胞分析方法通常依賴于細(xì)胞群體的檢測(cè)，雖然這可以保證檢測(cè)物質(zhì)的足夠含量，但它會(huì)掩蓋少量異常細(xì)胞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)，導(dǎo)致重要信息的丟失。液滴微流控的單細(xì)胞分析不僅克服了細(xì)胞群分析中小樣本異常細(xì)胞數(shù)據(jù)丟失的問題，而且可以更準(zhǔn)確地揭示細(xì)胞之間的差異，有助于了解細(xì)胞行為和代謝活動(dòng)，從而能夠?qū)M織、器官甚至整個(gè)生物體的行為進(jìn)行全面分析。這項(xiàng)技術(shù)為疾病的診斷提供更為全面的信息，能使研究人員在更加細(xì)微的維度中進(jìn)行各類復(fù)雜疾病現(xiàn)象的分析和研究，相關(guān)結(jié)果將為精準(zhǔn)醫(yī)療提供更為完善的數(shù)據(jù)積累。
圖2 基于液滴微流控系統(tǒng)的細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng)用于分析細(xì)胞中赤蘚糖醇產(chǎn)量（Biochemical Engineering Journal,2023,198）
3. 藥物開發(fā)與篩選
藥物幫助人類抵抗感染、治療疾病和減輕痛苦，一定程度上提高了生活質(zhì)量并延長(zhǎng)了人類的壽命。日益增長(zhǎng)的耐藥性推動(dòng)了新藥的持續(xù)研發(fā)需求，然而，開發(fā)新的有效藥物是一個(gè)漫長(zhǎng)而乏味的過程，可能需要數(shù)年，開發(fā)成本高達(dá)數(shù)百萬美元，而成功率不足5%。微流控設(shè)備為各種細(xì)胞（如癌癥、肝臟和細(xì)菌）的細(xì)胞培養(yǎng)和藥物測(cè)試提供了理想的受控環(huán)境。這種受控環(huán)境允許對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)物進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。此外，微流控設(shè)備能夠分離單個(gè)細(xì)胞以進(jìn)行進(jìn)一步培養(yǎng)。通常，當(dāng)對(duì)特定藥物反應(yīng)時(shí)，同類型細(xì)胞之間存在廣泛的異質(zhì)反應(yīng)。然而，這種異質(zhì)性在傳統(tǒng)的藥物篩選方法中無法觀察到，因?yàn)榉磻?yīng)信息是所有細(xì)胞的平均值。
圖3 超高通量雙通道微流控液滴篩選系統(tǒng)，用于篩選篩選設(shè)計(jì)酯酶的對(duì)映體選擇性，以優(yōu)先產(chǎn)生所需的抗炎藥物profens對(duì)映體。（Nature Communicatio | (2018) 9:1030 ）
微流控芯片可用于分析具有不同表型的癌細(xì)胞系對(duì)藥物反應(yīng)，顯示出特定表型細(xì)胞在藥物反應(yīng)方面的顯著差異，這種識(shí)別同一細(xì)胞系對(duì)相同組分的不同反應(yīng)的能力為新藥的開發(fā)提供了有價(jià)值的信息。基于液滴的藥物篩選分析的優(yōu)點(diǎn)包括試劑消耗量低、可重復(fù)性好、響應(yīng)時(shí)間快、混合快、細(xì)胞濃度精確控制以及帶有活力指標(biāo)的可量化讀數(shù)，這些優(yōu)點(diǎn)有助于測(cè)量靶點(diǎn)對(duì)藥物的敏感性。4. 生化分析與檢測(cè)傳統(tǒng)生化分析檢測(cè)方法，如ELISA（酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)）、PCR（聚合酶鏈反應(yīng)）以及質(zhì)譜分析等，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、食品安全和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。盡管這些技術(shù)成熟且精確，在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的限制，如檢測(cè)所需樣品用量大、成本高昂、檢測(cè)時(shí)效性弱、數(shù)據(jù)精確度和重復(fù)性不夠理想等。液滴微流控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在微觀尺度上的液滴精細(xì)操控，通過將樣品生成微小液滴，每個(gè)液滴作為獨(dú)立的反應(yīng)單元，突破傳統(tǒng)生化檢測(cè)的瓶頸。液滴微流控系統(tǒng)可以將樣本消耗降低至微升甚至納升級(jí)別，使得檢測(cè)樣本的需求量極小，對(duì)于珍稀樣本的檢測(cè)和應(yīng)用有幫助。液滴微流控技術(shù)往往伴隨樣本的高通量與自動(dòng)化處理，提升工作效率的同時(shí)一并將檢測(cè)速度和數(shù)據(jù)精度提高。新技術(shù)的出現(xiàn)有助于推動(dòng)生物化學(xué)分析檢測(cè)領(lǐng)域進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。
圖4 基于全細(xì)胞生物傳感器和液滴微流控技術(shù)測(cè)定梭菌GABA產(chǎn)量（ACS Synthetic Biology 2024, 13 (10) , 3069-3092. ）
液滴微流控技術(shù)通過其精確性、靈活性和高通量的特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮了革命性作用。從合成生物學(xué)、醫(yī)學(xué)與診斷學(xué)、藥物開發(fā)與篩選、化學(xué)合成與材料科學(xué)以及生化分析檢測(cè)等，每個(gè)領(lǐng)域的突破都彰顯了這項(xiàng)技術(shù)對(duì)前沿科學(xué)的巨大推動(dòng)力。未來，液滴微流控技術(shù)必將繼續(xù)深耕微觀世界，為人類帶來更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新應(yīng)用。
天木生物
液滴微流控技術(shù)通過精確控制微小液滴的流動(dòng)和反應(yīng)將復(fù)雜的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)濃縮到一個(gè)微小的芯片上，為合成生物學(xué)、醫(yī)學(xué)與診斷學(xué)、藥物開發(fā)與篩選、化學(xué)合成與材料科學(xué)以及生化分析檢測(cè)等提供強(qiáng)大助力。
天木生物深耕于液滴微流控領(lǐng)域多年，具有成熟的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，將液滴微流控技術(shù)與微管式反應(yīng)器技術(shù)完美結(jié)合，其自主研發(fā)單細(xì)胞高通量分選設(shè)備（DREM cell及MISS cell），全自動(dòng)化完成液滴生成、液滴培養(yǎng)和液滴檢測(cè)及篩選的全工作流程，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥研發(fā)、酶的篩選及進(jìn)化、合成生物學(xué)等多領(lǐng)域。設(shè)備自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，大幅提高篩選效率，為醫(yī)藥、工業(yè)及科學(xué)研發(fā)提供強(qiáng)有力的高精尖設(shè)備和技術(shù)支持。
上世紀(jì)80年代，微流控技術(shù)橫空出世，人們對(duì)小規(guī)模操縱流體的興趣穩(wěn)步增長(zhǎng)，各種平臺(tái)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。作為傳統(tǒng)微流控系統(tǒng)的進(jìn)化方案，液滴微流控技術(shù)利用微小通道來精確控制液滴生成、操控和分析，具備低樣品量、多功能集成、高靈敏度以及對(duì)傳質(zhì)傳熱控制精度高等特點(diǎn)。憑借精細(xì)的液滴操縱能力，科學(xué)家能夠如剝絲抽繭般層層解析復(fù)雜系統(tǒng)，深入探索微觀世界，目前該技術(shù)已在多個(gè)行業(yè)中展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，如合成生物學(xué)、醫(yī)學(xué)與診斷學(xué)、藥物開發(fā)篩選、生化分析檢測(cè)等。
1. 合成生物學(xué)
合成生物學(xué)是一項(xiàng)新興熱門研究學(xué)科，其主要通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中不存在的人工生物系統(tǒng)，幫助人類解決在能源、環(huán)保、材料、健康等方向遇到的問題。以微生物為底盤，構(gòu)建一系列的生物工廠，可以實(shí)現(xiàn)大量生物基產(chǎn)品的可持續(xù)生產(chǎn)。液滴微流體技術(shù)作為一種多功能且強(qiáng)大的技術(shù)，可以高通量生成和操縱納皮升體積的液滴，為各種微生物學(xué)研究開辟了新的途徑。從解決單細(xì)胞異質(zhì)性到研究微生物群落的時(shí)空動(dòng)力學(xué)，從微生物群的精確定量到微生物相互作用的系統(tǒng)破譯，從分離稀有和未培養(yǎng)的微生物到改進(jìn)遺傳工程菌株。液滴微流控技術(shù)通過將微生物封裝在微滴中，可以觀察少量細(xì)胞甚至單個(gè)細(xì)胞在孤立環(huán)境中的異質(zhì)性，消除了由于生長(zhǎng)速率差異引起的物種間競(jìng)爭(zhēng)和研究偏差，代謝物在液滴中的快速積累使?jié)舛纫蕾囆赃^程易于激活。液滴微流體技術(shù)允許以高達(dá)每秒成千上萬個(gè)液滴生成速度進(jìn)行樣本的處理和分析，通過不同模塊的配置實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的精確操作，包括液滴生成、孵育、融合、分裂和分選等，這為微生物的超高通量鑒定、篩選和菌株改造和進(jìn)化開辟了可能性。
圖1 基于液滴微流控的篩選平臺(tái)開發(fā)，用于差向異構(gòu)酶定向進(jìn)化篩選（Angewandte Chemie,2023,62(10):）
2. 醫(yī)學(xué)與診斷學(xué)
隨著科學(xué)的發(fā)展，精準(zhǔn)醫(yī)療正逐漸成為醫(yī)療行業(yè)的前沿領(lǐng)域。精準(zhǔn)醫(yī)療基于基因組信息、個(gè)體特征、環(huán)境因素和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，制定個(gè)性化預(yù)防和診療方案，提供更為有效的醫(yī)療服務(wù)。在傳統(tǒng)的醫(yī)療診斷中，細(xì)胞分析方法通常依賴于細(xì)胞群體的檢測(cè)，雖然這可以保證檢測(cè)物質(zhì)的足夠含量，但它會(huì)掩蓋少量異常細(xì)胞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)，導(dǎo)致重要信息的丟失。液滴微流控的單細(xì)胞分析不僅克服了細(xì)胞群分析中小樣本異常細(xì)胞數(shù)據(jù)丟失的問題，而且可以更準(zhǔn)確地揭示細(xì)胞之間的差異，有助于了解細(xì)胞行為和代謝活動(dòng)，從而能夠?qū)M織、器官甚至整個(gè)生物體的行為進(jìn)行全面分析。這項(xiàng)技術(shù)為疾病的診斷提供更為全面的信息，能使研究人員在更加細(xì)微的維度中進(jìn)行各類復(fù)雜疾病現(xiàn)象的分析和研究，相關(guān)結(jié)果將為精準(zhǔn)醫(yī)療提供更為完善的數(shù)據(jù)積累。
圖2 基于液滴微流控系統(tǒng)的細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng)用于分析細(xì)胞中赤蘚糖醇產(chǎn)量（Biochemical Engineering Journal,2023,198）
3. 藥物開發(fā)與篩選
藥物幫助人類抵抗感染、治療疾病和減輕痛苦，一定程度上提高了生活質(zhì)量并延長(zhǎng)了人類的壽命。日益增長(zhǎng)的耐藥性推動(dòng)了新藥的持續(xù)研發(fā)需求，然而，開發(fā)新的有效藥物是一個(gè)漫長(zhǎng)而乏味的過程，可能需要數(shù)年，開發(fā)成本高達(dá)數(shù)百萬美元，而成功率不足5%。微流控設(shè)備為各種細(xì)胞（如癌癥、肝臟和細(xì)菌）的細(xì)胞培養(yǎng)和藥物測(cè)試提供了理想的受控環(huán)境。這種受控環(huán)境允許對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)物進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。此外，微流控設(shè)備能夠分離單個(gè)細(xì)胞以進(jìn)行進(jìn)一步培養(yǎng)。通常，當(dāng)對(duì)特定藥物反應(yīng)時(shí)，同類型細(xì)胞之間存在廣泛的異質(zhì)反應(yīng)。然而，這種異質(zhì)性在傳統(tǒng)的藥物篩選方法中無法觀察到，因?yàn)榉磻?yīng)信息是所有細(xì)胞的平均值。
圖3 超高通量雙通道微流控液滴篩選系統(tǒng)，用于篩選篩選設(shè)計(jì)酯酶的對(duì)映體選擇性，以優(yōu)先產(chǎn)生所需的抗炎藥物profens對(duì)映體。（Nature Communicatio | (2018) 9:1030 ）
微流控芯片可用于分析具有不同表型的癌細(xì)胞系對(duì)藥物反應(yīng)，顯示出特定表型細(xì)胞在藥物反應(yīng)方面的顯著差異，這種識(shí)別同一細(xì)胞系對(duì)相同組分的不同反應(yīng)的能力為新藥的開發(fā)提供了有價(jià)值的信息。基于液滴的藥物篩選分析的優(yōu)點(diǎn)包括試劑消耗量低、可重復(fù)性好、響應(yīng)時(shí)間快、混合快、細(xì)胞濃度精確控制以及帶有活力指標(biāo)的可量化讀數(shù)，這些優(yōu)點(diǎn)有助于測(cè)量靶點(diǎn)對(duì)藥物的敏感性。4. 生化分析與檢測(cè)傳統(tǒng)生化分析檢測(cè)方法，如ELISA（酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)）、PCR（聚合酶鏈反應(yīng)）以及質(zhì)譜分析等，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、食品安全和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。盡管這些技術(shù)成熟且精確，在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的限制，如檢測(cè)所需樣品用量大、成本高昂、檢測(cè)時(shí)效性弱、數(shù)據(jù)精確度和重復(fù)性不夠理想等。液滴微流控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在微觀尺度上的液滴精細(xì)操控，通過將樣品生成微小液滴，每個(gè)液滴作為獨(dú)立的反應(yīng)單元，突破傳統(tǒng)生化檢測(cè)的瓶頸。液滴微流控系統(tǒng)可以將樣本消耗降低至微升甚至納升級(jí)別，使得檢測(cè)樣本的需求量極小，對(duì)于珍稀樣本的檢測(cè)和應(yīng)用有幫助。液滴微流控技術(shù)往往伴隨樣本的高通量與自動(dòng)化處理，提升工作效率的同時(shí)一并將檢測(cè)速度和數(shù)據(jù)精度提高。新技術(shù)的出現(xiàn)有助于推動(dòng)生物化學(xué)分析檢測(cè)領(lǐng)域進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。
圖4 基于全細(xì)胞生物傳感器和液滴微流控技術(shù)測(cè)定梭菌GABA產(chǎn)量（ACS Synthetic Biology 2024, 13 (10) , 3069-3092. ）
液滴微流控技術(shù)通過其精確性、靈活性和高通量的特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮了革命性作用。從合成生物學(xué)、醫(yī)學(xué)與診斷學(xué)、藥物開發(fā)與篩選、化學(xué)合成與材料科學(xué)以及生化分析檢測(cè)等，每個(gè)領(lǐng)域的突破都彰顯了這項(xiàng)技術(shù)對(duì)前沿科學(xué)的巨大推動(dòng)力。未來，液滴微流控技術(shù)必將繼續(xù)深耕微觀世界，為人類帶來更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新應(yīng)用。
天木生物
液滴微流控技術(shù)通過精確控制微小液滴的流動(dòng)和反應(yīng)將復(fù)雜的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)濃縮到一個(gè)微小的芯片上，為合成生物學(xué)、醫(yī)學(xué)與診斷學(xué)、藥物開發(fā)與篩選、化學(xué)合成與材料科學(xué)以及生化分析檢測(cè)等提供強(qiáng)大助力。
天木生物深耕于液滴微流控領(lǐng)域多年，具有成熟的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，將液滴微流控技術(shù)與微管式反應(yīng)器技術(shù)完美結(jié)合，其自主研發(fā)單細(xì)胞高通量分選設(shè)備（DREM cell及MISS cell），全自動(dòng)化完成液滴生成、液滴培養(yǎng)和液滴檢測(cè)及篩選的全工作流程，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥研發(fā)、酶的篩選及進(jìn)化、合成生物學(xué)等多領(lǐng)域。設(shè)備自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，大幅提高篩選效率，為醫(yī)藥、工業(yè)及科學(xué)研發(fā)提供強(qiáng)有力的高精尖設(shè)備和技術(shù)支持。
