蒙特利爾工學(xué)院（Polytechnique Montréal）的教授Thomas Gervais和他的學(xué)生Pierre-Alexandre Goyette和étienne Boulais，與麥吉爾大學(xué)（McGill University）David Juncker教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊合作開發(fā)了一種新型微流控工藝，旨在通過抗體自動檢測蛋白質(zhì)。這項發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上的工作，指出了新型便攜式儀器的出現(xiàn)，加速了生物實驗室的篩選過程和分子分析，以加快癌癥生物學(xué)的研究。

從傳統(tǒng)微流控到開放式微流控

微流控指微尺度裝置中的流體操縱。通常被稱為“芯片實驗室”，微流控系統(tǒng)被用于研究和分析非常小規(guī)模的化學(xué)或生物樣品，取代用于傳統(tǒng)生物分析的極其昂貴且繁瑣的儀器。麻省理工技術(shù)評論在2001年將其列入“10大改變世界的新興技術(shù)”，微流控技術(shù)被認為是生物學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的革命，就像微處理器之于電子和IT市場，微流控技術(shù)適用于更大的市場。

如今，這個仍然年輕的學(xué)科，在2000年代以微通道網(wǎng)絡(luò)組成的封閉系統(tǒng)開始起飛，蒙特利爾工學(xué)院和麥吉爾大學(xué)研究人員的發(fā)現(xiàn)正在革新這項技術(shù)，加強了開放空間微流控技術(shù)的理論和實驗基礎(chǔ)。

這種消除通道的微流控技術(shù)與用于特定類型分析的傳統(tǒng)微流控技術(shù)相比更具競爭優(yōu)勢。實際上，閉合通道微流控裝置的經(jīng)典配置存在若干缺點：通道橫截面的規(guī)模增加了細胞在培養(yǎng)時所經(jīng)受的壓力，它們與細胞培養(yǎng)標準和培養(yǎng)皿不兼容，使得該行業(yè)很難采用傳統(tǒng)微流控技術(shù)。

蒙特利爾工學(xué)院和麥吉爾大學(xué)研究人員探索出來的新方法基于微流控多極（microfluidic multipoles, MFMs），這是一種通過非常小表面上相對的微開口同步流體抽吸的系統(tǒng)，該表面被放置在厚度小于1毫米的有限空間內(nèi)。Gervais教授表示，“當它們彼此接觸時，這些流體噴射形成的圖案可以通過化學(xué)試劑染色被看到。我們希望在開發(fā)可靠的微流控多極建模方法的同時，能夠理解這些圖案?！?/p>

優(yōu)雅的視覺對稱讓人聯(lián)想到藝術(shù)家M. C. Escher的作品

為了理解這些圖案，Gervais教授的團隊必須為開放的多極流開發(fā)一種新的數(shù)學(xué)模型。該模型基于被稱為共形映射的經(jīng)典數(shù)學(xué)分支，通過將其簡化為更簡單的幾何圖形來解決與復(fù)雜幾何圖形相關(guān)的問題（反之亦然）。

博士生étienne Boulais首先開發(fā)出一款在多流體偶極子中研究微噴射碰撞（只有兩個開口的微流控多極）的模型，然后，依靠這個數(shù)學(xué)理論，推測擁有多個開口的微流控多極模型。他解釋道，“我們可以用象棋游戲進行類比，這其中有4名玩家的版本，然后是6名玩家或8名玩家，在保持相同游戲規(guī)則的同時應(yīng)用空間變形技術(shù)?！?/p>

這位對視覺藝術(shù)充滿熱情的年輕研究員補充道，“當進行共形映射時，由流體噴射碰撞產(chǎn)生的圖案形成對稱圖像，使人聯(lián)想到荷蘭藝術(shù)繪畫家M.C. Escher，但是遠超其美學(xué)吸引力，我們的模型允許我們描述分子在流體中移動的速度及其濃度。我們?yōu)樽疃?2個極點的所有可能系統(tǒng)配置定義了有效規(guī)則，以生成各種流體和擴散模式?！?/p>

因此，該方法是一套完整的工具集，不僅可以模制并解釋微流控多極中出現(xiàn)的現(xiàn)象，還可以探索新的配置。歸功于這種方法，現(xiàn)在可以實現(xiàn)自動化開放式微流控測試，在此之前，對這種測試的探索只能通過反復(fù)試驗。

使用3D打印制造該裝置

微流控多極裝置的設(shè)計和制造由Pierre-Alexandre Goyette完成。該裝置是一種由樹脂制成的小型探頭，采用低成本3D打印工藝，并將其連接到泵和噴射器系統(tǒng)。

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的博士生指出，“Juncker教授團隊用固定在表面上的抗體檢測蛋白質(zhì)方面的專業(yè)知識，對于該項目的生物學(xué)研究具有重要意義。通過分析獲得的結(jié)果驗證了我的同事étienne所開發(fā)模型的準確性?！?/p>

該裝置允許同時使用多種試劑檢測同一樣品中的各種分子，為生物學(xué)家節(jié)省了寶貴的時間。針對特定類型的測試，分析時間可以從幾天減少到幾小時，甚至是幾分鐘。此外，該技術(shù)的多功能性使其適用于多種分析過程，包括免疫學(xué)和DNA測試。

朝著微流控顯示器發(fā)展？

Gervais教授的團隊已經(jīng)在考慮其項目的下一步發(fā)展計劃：開發(fā)一款能夠顯示化學(xué)成像的屏幕。

Gervais教授解釋道，“它將成為液晶顯示器的一種化學(xué)等價物，就像我們在屏幕上移動電子一樣，我們會發(fā)送各種濃度的流體噴射，這些流體會與表面發(fā)生反應(yīng)。它們將共同形成一個圖像。能夠推進這個項目令我們感到很高興，同時我們也已經(jīng)獲得了一項臨時專利申請?！?/p>

重新制定診斷程序和醫(yī)療后續(xù)行動

目前，該研究團隊開發(fā)的技術(shù)主要針對基礎(chǔ)研究市場。Gervais教授指出，“我們的工藝可以同時將細胞暴露于多種試劑，能夠幫助生物學(xué)家大規(guī)模研究蛋白質(zhì)和試劑之間的相互作用，增加分析過程中獲得的信息數(shù)量和質(zhì)量?！?/p>

他隨后解釋道，制藥市場也將受益于這一發(fā)現(xiàn)所帶來的自動化篩選系統(tǒng)新方法。最后，它通過促進患者細胞培養(yǎng)和各種藥物實驗來確定哪些藥物對患者最有效，從而為藥物開發(fā)開辟了一條新途徑。