2018年11月19日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系郭永研究員團(tuán)隊(duì)在Sensors and Actuators B： chemical（傳感器和執(zhí)行器B：化學(xué)）雜志在線發(fā)表題為“One-step Bonding and Hydrophobic Surface Modification Method for Rapid Fabrication of Polycarbonate-based Droplet Microfluidic Chips”（一種同步實(shí)現(xiàn)芯片鍵合與表面疏水改性的工藝方法用于快速制備聚碳酸酯材質(zhì)的液滴微流控芯片）的研究成果，首次提出一種“一步法”對液滴微流控芯片實(shí)現(xiàn)快速鍵合和微管道表面疏水化改性的方法。該方法工藝流程簡單高效，僅耗時(shí)不到10秒。相比于現(xiàn)有的普遍耗時(shí)在數(shù)十分鐘到數(shù)小時(shí)的方法，一步法極大地提高了液滴微流控芯片的制備效率，不僅能廣泛應(yīng)用于液滴微流控相關(guān)的研究領(lǐng)域，在工業(yè)化應(yīng)用中也具有很大的潛力。
近年來，液滴微流控技術(shù)（也稱微液滴技術(shù)）引起了人們極大的研究興趣，并在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域取得了許多重要進(jìn)展，如數(shù)字PCR和高通量單細(xì)胞測序。微液滴芯片的大規(guī)模應(yīng)用需要低成本、高通量、簡易和快速的芯片制備方法。芯片鍵合與表面疏水改性是微液滴芯片制備過程兩個(gè)重要的環(huán)節(jié)，目前已經(jīng)報(bào)道的方法往往都存在工藝復(fù)雜、耗時(shí)長的問題。微液滴芯片為一次性使用耗材，其使用量較大，芯片制備的復(fù)雜過程影響了微液滴技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)展。
圖1：一步法工作流程圖及其分子機(jī)理
為了解決上述問題，郭永研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種新的基于聚碳酸酯（polycarbonate, PC）材料的微液滴芯片制備方法，能夠在實(shí)現(xiàn)快速芯片鍵合的同時(shí)完成微管道的表面疏水改性，工作流程圖及其分子機(jī)理如圖1所示。PC作為微液滴芯片的基底材料具有突出優(yōu)秀特性，注塑性能好、透光性好、成本低。在兩片PC基底的鍵合面上涂抹上包含有丙酮、正戊烷和全氟辛基三氯硅烷（FOTS）的一步法溶液。在丙酮的作用下，PC表面的長鏈分子釋放到溶液中。然后，將兩片PC基底對齊并送入熱壓滾輪當(dāng)中。由于丙酮與正戊烷的沸點(diǎn)較低，受熱后迅速氣化，游離的PC分子與鍵合面上的PC分子形成纏結(jié)，實(shí)現(xiàn)芯片鍵合。最后，在丙酮和正戊烷氣化后，F(xiàn)OTS析出粘附在芯片管道表面，并在空氣中水分子的作用下，自發(fā)交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)形成穩(wěn)定的疏水層，實(shí)現(xiàn)表面疏水改性。一步法整個(gè)操作流程僅需10秒即可完成，這有助于實(shí)現(xiàn)微液滴芯片的大規(guī)模加工制備。與現(xiàn)有研究工作相比，一步法制備的微液滴芯片不僅具有較高的鍵合強(qiáng)度、良好的疏水性能，而且極大地縮短了芯片的制備時(shí)間，如表1所示。
表1：與已有研究工作的比較
一步法制備的微液滴芯片能穩(wěn)定生成尺寸均一的微液滴，完全滿足微液滴技術(shù)對芯片提出的要求。數(shù)字PCR是微液滴技術(shù)十分重要的應(yīng)用，具有單分子檢測靈敏度和絕對定量的特點(diǎn)，在分子診斷領(lǐng)域擁有重要的應(yīng)用價(jià)值。數(shù)字PCR對微液滴芯片的生物相容性有較高的要求。該方法加工的微液滴芯片生成的液滴經(jīng)過數(shù)字PCR后，液滴形態(tài)和熒光信號穩(wěn)定。與商業(yè)化儀器相比，在目標(biāo)分子的定量上也獲得了相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。這說明一步法制備的芯片具有良好的生物相容性。本研究表明“一步法”具有低成本、低耗時(shí)、操作簡單和性能優(yōu)異的特點(diǎn)，在液滴微流控研究、尤其是產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力。
清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系博士生蘇世圣及清華大學(xué)精儀系荊高山博士為本文共同第一作者，博士后劉寶霞在“一步法”分子機(jī)理研究部分有重要貢獻(xiàn)，郭永研究員對該研究進(jìn)行了指導(dǎo)。這項(xiàng)研究得到了清華大學(xué)程京院士實(shí)驗(yàn)室和北京新羿生物科技有限公司的大力支持。本課題得到國家自然科學(xué)基金委、中央公益性科研機(jī)構(gòu)基金、企業(yè)橫向合作課題等的經(jīng)費(fèi)資助。
