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微流控芯片设计:芯片技术如何帮助诊断公司?

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发表于 2020-9-9 16:55:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
如今,医疗行业正在经历着频繁迭代,仪器往更小,更方便,更精确的方向转变,随之而来的是诊断服务提供商面临竞争挑战和压力。为了在不断变化的市场中建立并保持竞争地位,通过最新技术和创新的产品抢占市场。


在整个医疗行业的推动下,诊断制造业正面临着巨大的挑战和机遇,医疗行业正朝着更加个个性化和以患者为中心的商业模式和价值主张迈进。《全球体外诊断市场报告》预测,体外诊断市场(IVD)从2018年开始的累计平均增长率为6.6%,到2023年将达到近1000亿美元。



在个性化的浪潮下,有竞争力的公司需要结合最先进的技术才能成功打入市场。然而,对于刚进入医疗诊断领域的科技巨头和初创企业仍对现有的芯片技术缺乏了解。




高质量,低成本
无论是妊娠,乳酸或血糖测试,还是其他诊断支持,用于获取和处理样品的材料通常是纸和塑料。由于成本的原因,这些材料将在未来仍然是最佳的选择。


然而,未来需要更高精确度或更适合复杂环境的材料,例如在需要测序或者不允许底物依赖性偏差(试纸条与试纸条之间)的快速诊断测试中,您需要一种价格低且方便的诊断仪器可以为您提供与实验室检测类似的结果,那么硅和相关的半导体技术是您的最佳选择。在成熟的供应链支持下,几乎所有复杂的芯片都可以设计且低成本批量生产,以实现高价值的诊断应用。


芯片技术:多功能的工具箱
让半导体技术发展快的部分原因是可以在芯片内或芯片上设计多种小型化组件,极其精确的设计过程让通道和结构非常轻松地执行复杂的微流控处理步骤:将样品从A移到B,产生液滴,封装目标物体,合并或过滤出来,浓缩或稀释等。


除此之外,纳米孔-芯片上的纳米级结构,有助于实现大规模集成和测量带宽。这种高带宽也可以在其他类型的研究中应用,例如根据蛋白质在孔中的旋转/扩散特性,以无标记的方式直接进行蛋白质鉴定。


简而言之,硅芯片可实现从样品到诊断的快速工作流程,并将彻底改变诊断方式。




设备和应用程序
通过以下高端技术可进一步开发快速,可靠且经济高效的诊断仪器。


芯片上的分子生物学
目前大部分DNA样品制备和复杂的工作流程中仍然有手动操作,在诊断的准确性和每个基因组的成本等方面仍有诸多挑战。如果有一项技术能把样品制备和检测缩小一块芯片上,并能在不到10分钟内对全血进行完整的PCR分析,那么对诊断仪器开发商来说这是一项突破性研究成果。


其实,诊断公司已经开发了这种芯片实验室,该实验室可以进行样品制备,DNA提取和定量分析,并具有小的反应室,可以进行快速,完整的PCR反应。PCR腔由微反应器,集成铝加热器,隔热沟槽和微流体通道组成,可在5分钟内完成标准DNA扩增。


由于其小型化和并行性(即一次处理多个样本的能力),此类芯片对于诊断具有很高的价值。这项技术在《临床化学 2018》上发表展示了在不到五分钟内对孕妇样本中的B组链球菌感染进行灵敏和定量的芯片检测。


集成式(生物)化学传感器驱动芯片实验室系统
通过分析从培养基吸收或分泌到培养基中的细胞代谢副产物(蛋白质和酶),可以确定细胞的生物状态。例如,基于免疫测定,质谱法,色谱法或光谱学的当前技术并不总是在设置中可用,样品制备很困难,并且通常在高蛋白质背景的复杂培养基中缺乏特异性。


蛋白质检测和定量的主要方法是免疫测定法(即ELISA)。在其众多变体中,用荧光团酶标记检测抗体可用于提高敏感性和特异性。缺点是在测量之前,所有未结合的标签都需要洗掉,这让整个工作流程变得复杂,并且延长了生成结果的时间。改善后的方法是转向基于光子的免疫测定。研究者建立了一种可用于监测医学诊断中相关蛋白质的荧光免疫测定法。其特异性,灵敏性和检测极限大大优于ELISA,可快速动力学读取和免洗。该免疫测定的关键要素是光子芯片,可以很容易地集成到即时诊断中。这是一种通用技术,可以使用这种免疫测定平台检测任何目标蛋白质。




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