在國家隊的加持下，芯片成為當之無愧的帶貨網(wǎng)紅。各路媒體們焚膏繼晷，幾天就炮制出了不少“芯片制造為什么難”“一文讀懂芯片產(chǎn)業(yè)”“X國芯片往事”等雄文。

不過，大家的關(guān)注點都聚焦在芯片之于電子行業(yè)的重大意義。

可能少有人了解，芯片在生物醫(yī)療上也有著不小的價值，并且也是一條不容忽視、日新月異的科技主賽道。

就在本月，著名學術(shù)期刊《Microsystems & Nanoengineering》（“微系統(tǒng)與納米工程”）就發(fā)表了一項弗吉尼亞理工大學化學和生物系統(tǒng)工程系的研究成果——一個集成的微流體治療芯片Therapeutics-on-a-Chip（簡稱TOC）。

它的特殊之處在于，能夠經(jīng)濟且高效地將治療性蛋白質(zhì)完成合成及純化。而這對于解決相關(guān)藥品的全球運輸問題，尤其是對于偏遠貧困地區(qū)的患者來說，有著極為重要的現(xiàn)實意義。

治療性蛋白質(zhì)藥物的普惠難題

大多數(shù)人都知道，人體會制造許多蛋白質(zhì)來維持生命與健康。其中有一類蛋白質(zhì)，輸送到體內(nèi)可能會對某些疾病起到有益的影響，它們都可以被成為“治療性蛋白質(zhì)”。

比如胰島素能夠調(diào)節(jié)血糖，一些天然血液因子能夠幫助傷口凝結(jié)，阻止失血，還有一些蛋白質(zhì)是“信號兵”，能夠促進特定類型細胞的生長，免疫蛋白質(zhì)則能夠幫助殺死身體的入侵者。血友病、癌癥、囊囊性纖維化、心臟病等一系列疑難雜癥，都可以通過蛋白質(zhì)治療藥物得到控制。

而隨著基因工程的發(fā)展，以治療性蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的藥物已經(jīng)告別了依賴人體產(chǎn)生這一自然渠道。通過細胞培養(yǎng)，單個細胞就可以含有所需要的人類基因。然后將治療蛋白放進容器中，以注射等方式接觸人、動物或微生物，就能發(fā)揮相應(yīng)的作用。

目前，治療性蛋白質(zhì)藥物已經(jīng)占到了藥物市場的極大比例，并且隨著新蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)而日益增長。與此同時，治療蛋白的大范圍普及也存在一些長期性的挑戰(zhàn)。

大多數(shù)治療蛋白都是經(jīng)由重組酵母、動物細胞等方式培養(yǎng)出來的，經(jīng)過大規(guī)模生產(chǎn)之后，它們會從集中式生產(chǎn)廠家經(jīng)過封裝再分銷到全球。

然而，這些合成治療蛋白的半衰期往往是有明確限制的，對運輸過程中的冷鏈、設(shè)備都有著一定的要求。對于非洲、東南亞等偏遠地區(qū)的患者和護理點來說，想要引進和長期儲存大規(guī)模的治療藥品十分困難，這就使其很難幫助更多的人。

改善終端的醫(yī)療條件并非一朝一夕能夠完成的，所以，不少研究人員就把主意打到了治療蛋白的“包裝”身上。

最近弗吉尼亞理工大學化學與生物系統(tǒng)工程系的Travis W. Murphy墨菲教授和他的同事共同開發(fā)了一種芯片治療系統(tǒng)（TOC），在上面可以利用無細胞蛋白質(zhì)合成（CFPS）工藝完成對治療蛋白的即時合成與純化。因此，藥物可以在相對寬泛的溫度條件下儲存，同時凍干的有效物質(zhì)還能夠保持穩(wěn)定。

降本增效小能手：TOC是怎么做到的？

實驗顯示，墨菲等人通過TOC成功合成并純化了天蠶素B——一種廣泛用于控制生物膜疾病的抗菌肽。在六個小時內(nèi)，天蠶素B的濃度為63 ng /μL，純度為92％，并且具有非常不錯的抗菌性能。

在CFPS反應(yīng)器準備開始生產(chǎn)治療蛋白的前期設(shè)計階段，科研人員制作了一個蛇形通道微流控芯片。這個微流體被連接到注射泵上，細胞裂解物、反應(yīng)緩沖劑和DNA模板分別通過130cm的蛇形通道，以0.15μL/ min的流速在其中停留1.5個小時。

然后，科學家使用加熱反應(yīng)器和COMSOL Multiphysics軟件對這一組合流進行建模。這一步驟的作用是驗證設(shè)備的機制是否正常，來保證最佳的擴散混合和反應(yīng)。

設(shè)計完成，接下來，系統(tǒng)就開始生產(chǎn)大量的治療蛋白質(zhì)了。

到了第二階段，則需要利用微流體裝置對合成的治療蛋白進行純化。

墨菲等人對治療蛋白質(zhì)純化的工作流程：吸附——洗滌——洗脫進行了優(yōu)化，設(shè)計了一種微流體裝置，通過電磁閥操縱該裝置來控制單個微機械閥和相關(guān)的振蕩壓力脈沖。

這一發(fā)明將產(chǎn)品純度提高到了98.5%，產(chǎn)品收率到了54.6%，遠高于其他方法。

純化實驗成功之后，科研人員又接著開發(fā)了一個集成的微流體平臺，即TOC。它可以讓治療蛋白的合成與純化（CFPS + P）都實現(xiàn)自動化工作。

人們將連續(xù)流動反應(yīng)器和批量純化裝置結(jié)合在一起，并借助管儲器將兩個過程結(jié)合在一起。在純化之前，管儲器會將連續(xù)流動反應(yīng)器（那個蛇形通道）所生產(chǎn)的蛋白質(zhì)儲存在芯片上，從而讓不同流程能夠在一個便攜裝置內(nèi)更好的兼容。

這一整套操作微流體系統(tǒng)的裝置只有公文包大小，已經(jīng)是高度便攜的治療蛋白生產(chǎn)系統(tǒng)了。同時，也表現(xiàn)出了非常好的活性和抗菌能力。

這樣既把治療蛋白的生產(chǎn)變得簡單高效經(jīng)濟，又能最小程度地減少試樣和試劑，研發(fā)和生產(chǎn)速度也能十倍上百倍的提高，對于治療蛋白的大范圍推廣，尤其是讓老少邊窮地區(qū)用上有保障的藥品，起到了非常重要的助推作用。

微流控芯片：TOC的關(guān)鍵武器

有心的小伙伴會發(fā)現(xiàn)，TOC裝置能發(fā)揮如此驚喜的效果，核心就在于一個微流控芯片（micro-chip）上。不要小看這個小小的芯片，除了能夠控制和優(yōu)化蛋白質(zhì)的生物表現(xiàn)之外，還將是基因工程、生物遺傳等領(lǐng)域非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

這么牛逼的技術(shù)是怎么誕生的呢？

微流控技術(shù)全稱Micro Electromechanical System，是由諾貝爾物理學獎獲得者Richard Feynman教授于1959年提出的，其概念簡單來說就是通過半導體技術(shù)，將現(xiàn)實生活中的機械系統(tǒng)微型化，形成微型電子機械系統(tǒng)。

一開始，微流控分析芯片只是作為納米技術(shù)革命的一個補充。受限于制造、應(yīng)用等難題，比如早期的微流控芯片，其微小通道在設(shè)計時就會遇到的噴射問題。這些導致了遠遠沒有展現(xiàn)出半導體應(yīng)具備的“摩爾速度”。

直到上世紀80年代末至90年代末，隨著材料科學和流體移動技術(shù)發(fā)展后，加上生物傳感器與基因工程的欣欣向榮，才共同推動了微流控技術(shù)的進步，也帶動了微流控芯片的繁榮。

體現(xiàn)在醫(yī)療領(lǐng)域，微流控芯片的作用除了前面所說的幫助純化治療蛋白之外，還有許多用武之地，比如：

1. 抗原抗體檢測。利用蛋白質(zhì)芯片技術(shù)，能夠根據(jù)與某一蛋白質(zhì)的多種特征，篩選某一抗原的未知抗體，將常規(guī)的免疫分析微縮到芯片上進行，使得免疫檢測更加方便快捷。

2. 生化反應(yīng)的檢測。這個能力有點類似前面提到的CFPS反應(yīng)器設(shè)計，就是通過微流體芯片來測定酶促反應(yīng)的變化，了解藥物分子之間的相互作用，從而為藥物開發(fā)和臨床用藥提供實驗依據(jù)。而且，這種蛋白質(zhì)芯片可以重復(fù)使用，大大降低了試驗成本。

3. 疾病診斷。微流體芯片還能夠檢測生物樣品中與某種疾病或者環(huán)境因素損傷可能相關(guān)的蛋白質(zhì)情況，比如Ciphelxen Biosystems公司就利用蛋白質(zhì)芯片分別檢測了健康人和前列腺癌患者的血清樣品，僅用了三天時間就發(fā)現(xiàn)了6種潛在的前列腺癌的生物學標記?？梢哉f，微流體芯片技術(shù)的發(fā)展，將給未來疾病的探索和早期預(yù)防、治療帶來重要而積極的價值。

中美競速：微流控技術(shù)產(chǎn)業(yè)地圖

既然同屬半導體芯片，那么在微流控技術(shù)上，中國到底處在什么戰(zhàn)略位置呢？會不會以后各種相關(guān)的醫(yī)學檢測、新藥開發(fā)都受制于人呢？還真令人細思極恐。

目前，全球參與微流控研究的地區(qū)主要集中在北美地區(qū)（美國及加拿大）、亞洲地區(qū)（中國、日本、韓國）。從絕對量級上來說，美國在該領(lǐng)域的研究位居全球首位，其次為中國、日本。

企業(yè)方面，位居首位（根據(jù)專利申請人分析）的是日本ROHM CO公司，美國生物技術(shù)公司Caliper和Myriad Genetics公司位列第二、三名。排名第四的則是中國蘇州汶顥芯片，主要產(chǎn)品就是微流控芯片。

在學界，中國高校（以東南大學為代表）和美國高校（加州大學、哈佛大學、麻省理工）等都是排名靠前的科研機構(gòu)代表。

總體來看，中國在微流控領(lǐng)域的科研實力還是遠遠強于大多數(shù)國家的。

但落地到產(chǎn)業(yè)端應(yīng)用上，以微流控常見的醫(yī)療診斷方向為例，中國市場目前還是由Roche和Abbott（雅培）等大型跨國廠商來主導的。

不過，由于政策的大力支持，近年從國內(nèi)科研院所獨立出來了許多微流控技術(shù)創(chuàng)業(yè)公司，同時也在積極招攬海外回流的華人工程師，導致近兩年中國的微流控產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展非常蓬勃，天津微納芯、杭州霆科生物、微點生物、華邁興微、百康芯、上海速芯等等，都在微流控器件制造方面有不錯的表現(xiàn)。

當然，這并不意味著中國的微流控芯片技術(shù)已經(jīng)非常成熟了。事實上，由于起步的時間較晚，盡管科研方面并不弱，追趕的勢頭也非常兇猛，但在產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈上的成熟度還是有所不足。

目前，只有少數(shù)中國企業(yè)擁有從設(shè)計和原型開發(fā)，以及后續(xù)大規(guī)模制造、后端處理的完整供應(yīng)能力。

不過，中國在數(shù)字化移動醫(yī)療上的井噴式發(fā)展，都將不斷給微流控產(chǎn)業(yè)添磚加瓦。

據(jù)Yole分析師預(yù)測，中國廠商的微流控產(chǎn)品銷售額將從2017年的1.71億美元增長至2023年的7.541億美元，復(fù)合年增長率（CAGR）高達28%。

換句話說，微流控技術(shù)中埋藏的不僅有國家科研力量的尊嚴，萬億市場的金礦，還有與每個人息息相關(guān)的生命健康與安全。在這場特殊的“芯片之爭”中，或許，我們更加沒有退路，唯有吟嘯前行。