微流控芯片迈入黄金发展十年,微型化、自动化检测加速落地和升级
新冠疫情防控需求推动了测序、质谱、数字 PCR、微流控芯片等前沿检验技术的研发与应用转化。
其中,微流控芯片是近年来发展起来的一种全新微量分析技术,被评为本世纪最具有发展潜力的新兴检验技术之一。
“微”是指实验仪器设备的微型化(尺寸为数十到数百微米)。“流”是指实验对象属于流体(体积为纳升到阿升)。“控”代表着在微型化设备上对流体的控制、操作和处理。它属于一种底层技术,交织着化学、流体物理、微电子、新材料等多门学科知识。
它可以把整个化验室的功能,包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成到一块微米级尺度的芯片上,自动完成分析全过程,且可以多次使用。
微流控技术问世至今有近 30 年历史,其发展迅猛,被称为下一代医疗检验领域“颠覆性技术”。微流控芯片最早可追溯至 1990 年,瑞士的 Manz 和 Widmer 进行电泳分离,开启微流控芯片发展道路。
此后,国外多家公司的研发对于微流控芯片技术逐渐成熟做了很大贡献。中国于 2002 年起开始助力微流控技术的发展。2016-2017 年,中国出台相应的政策,希望大力推进国内微流控芯片的研发进程。
▲图丨微流控芯片历史沿革(来源:DeepTech)
其基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成。它使用几十到几百微米尺度的管道,处理或操控很少量的(10~9 至 10~18 升,1 立方毫米至 1 立方微米)流体,使用非常少的样本和试剂做出高精度和高敏感度的分离和检测,费用低,分析时间短,分析设备体积小。从本质上说,微流控提供了在空间和时间上集中控制分子的能力。
新冠病毒横行之下,实验室超负荷运转、医护人员没日没夜奋战在检测线的新闻屡见不鲜。在此场景下,微流控芯片优势凸显。微流控芯片可将核酸提取、扩增及检测整合在一个芯片上,相较于传统检验方法,其具有集成微型化、多线程自动化、检验快、低消耗、少污染等较多优势,在医疗检验和疾病防控上具有巨大的应用前景。
▲图 | 微流控芯片检测技术优势(来源:DeepTech)
微流控技术应用范围广,如生物医学、新药物合成与筛选、食品检验、环境监测等应用领域。目前主要应用场景集中在生物医学领域,例如生化检验、核酸检测、免疫检验等。
在生化领域,成本低、检测便携的纸层析微流控芯片技术已成功应用于葡萄糖快速检测。血气分析、血糖监测等也是目前微流控芯片常用的场景。
在核酸检测领域,利用微流控技术可以将核酸提取、扩增及检测都集成在同一个芯片上,摆脱繁琐操作以及对专业实验室的依赖,减少了操作人员的负担及污染的可能性,实现了随时随地快速检测的需求。PCR 与微流控芯片的结合突破了传统 PCR 方法反应速度的极限,为医疗检验和疾病防控带来巨大的帮助。
▲图 | 微流控芯片部分应用场景(来源:DeepTech)
未来几年,以微流控芯片、生物芯片为底层驱动的检验技术,将与更多检验方法、检验场景进一步结合。这些底层技术叠加检验方法学引发的检验场景变革将成为检验领域新蓝海市场。
*以上分析仅供参考,不构成任何投资建议
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体外诊断浪潮热,新兴技术微流控缘何成为香饽饽
CB Insights 中国生命科学和医疗健康分析团队
分析师:徐迅捷
微流控技术与 MEMS(Micro Electromechanical System,微机电系统)的发展密不可分。早在 1959 年,Richard Feynman 教授提出了 MEMS 设想,其基本概念是用半导体技术将生活中的机械系统微型化,形成微型电子系统。1962 年,全球第一款微型压力传感器面世,随后在轮胎压力检测和有创血压计等方面有所应用。如今,MEMS 技术已经被运用到了军事、航空航天、生物医药、工业交通等各个领域,并依旧扮演者核心技术的角色,智能手机便是这项技术最常见的应用载体之一。
微流控芯片(Microfluidics Chip)则是通过 MEMS 技术将一个大型实验系统缩小细微至一个玻璃或者塑料基板上,经过复杂的生物学和化学反应过程的复制,快速自动完成实验。在这个过程中,样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元都集成到了一块微米尺度的芯片上,微米级尺度构造出了容纳流体的通道、反应室和其他功能部件,微米体积的流体经过操纵在微小的空间中运动,进而构建了一个完成的生化实验室,并且能够自动完成分析全过程的一项技术。
微流控技术的发展历史虽然并不长,却是一个涉及了工程学、 物理学、 化学、 微加工和生物工程等领域的交叉学科。微流控芯片是微流控技术的下游应用单元,是当前微全分析系统领域发展的重点。
图 | 微流控技术发展史
为什么说微流控芯片是体外检测的香饽饽?
此次疫情期间,“医生的眼睛”体外诊断让新冠病毒速速现形,社会各界对体外诊断的认知也更加深入。在疫情高峰期,“一盒难求”,实验室超负荷运转、医护人员没日没夜奋战在检测线的新闻屡见不鲜。高精确度、高自动化的体外检测的需求度愈发凸显。微流控技术在生化、免疫、核酸、细胞等诊断技术上的应用所具备优势恰恰能解决行业痛点。
图 | 微流控芯片检测技术的优势,高分析效率、高精确度、集成化、自动化和节能环保等优势于一身。
微流控检测领域应该关注哪些企业?
得益于体外诊断的较早发展,欧美市场的微流控技术起步较早,经验积累更加丰富。因此微流控技术的相关产品也在欧美得到了较为成功的商业化。传染病、基因测序、蛋白、PCR(聚合酶链式反应) 等领域均有体现,POCT(即时检验)领域则将微流控技术的小型集成化特点展现得淋漓尽致。雅培床旁诊断业务的王牌产品——手持式血液分析仪 i-STAT 系统就是微流控芯片在 POCT 领域成功商业化的典型代表。微流控技术实现了少量采血、精准、迅速检测,普通项目在 2 分钟内就可以得到结果,而对患者的脑卒中、心梗等疾病进行诊断最长也只需要 10 分钟,在急诊急救、产科、家庭检测等多个应用场景应用自如,一卡多用,又防止交叉污染,为患者的诊疗节约了宝贵的时间。
欧美市场的微流控芯片技术头部企业纷纷被体外诊断 Roche(罗氏)、Abbott(雅培)和 Danaher(丹纳赫)等企业收购,体外诊断产业资本不断涌入微流控技术行业,微流控检测将越来越广泛地被应用到体外诊断检测中去。
同时,国内企业也纷纷布局,国内研发微流控芯片的公司中,大部分企业都投身于该技术的体外诊断领域应用。一方面以博晖创新、万孚生物为代表的的国内体外诊断企业出海淘金,另一方面国内本土企业也积极入场,以头部企业微点生物为代表的的企业表现亮眼,其他的企业也在自研自销和融资发展的路上跑步入场。
如何抓住微流控技术在医疗领域应用的机遇和挑战?
《“十三五”国家科技创新规划》、《“十三五”生物技术创新专项规划》等政策将微流控芯片纳入与新一代生物检测技术深度绑定。社会资本在价值导向的引领下对有较高科技性的企业更加青睐,微流控技术在中国的发展可谓是处处春风。
但是我们仍然应该重视微流控技术的研发周期长、研发进度慢、研发成本高等难题带来的挑战。
图 | 微流控技术在医疗领域应用中常见的难题
面对这些挑战,分阶段进行微流控技术在医疗领域的应用则更加符合中国国情 。第一阶段,可以以 POCT 为主,突出微流控技术在 POCT 应用上的简单可靠。加强样品处理自动化,流体操控能力,将微流控技术的潜力发挥出来。第二阶段,可以 在高通量单细胞操控、数字 PCR、下一代基因测序设备上开展更广泛的应用,突出与微电子、临床医学等多学科实叉的特性,将流体的主动操控进一步扩大化实现。第三阶段, 与器官芯片、生物 3D 打印等为代表的新技术联用,创造更多颠覆性诊疗技术。
“学-研-产-投”多管齐下,则会直接促进科研成果商品化、商品产业化,会让微流控技术在产业应用中显现更多生机。随着多学科交流、不同领域专家合作的加强, 微流控产品的商业量产化将变为现实。未来的微流控芯片将更加可靠、更便于重复使用、更低成本、更便于大批量生产,微流控技术的发展将实现新的增长。
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