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芯片实验室/体外诊断:通过材料选择促进微流体键合

更新时间  2022-03-11 14:35 阅读

微流控键合

图 1. 具有各向同性蚀刻通道的 >0.3 mm 玻璃晶片用室温 UV 粘合剂粘合到 1 mm 厚的玻璃晶片上;玻璃:玻璃键保持封装的生物分子/细胞的生物活性。

将小于一滴血的流动细胞穿梭到功能区是强大的体外诊断(IVD)系统开发、自动化和小型化的基础。这些系统反过来支持广泛的应用和设备,从数字生物学到下一代基因组测序,芯片上的器官,基于细胞的高通量分析,以及用于药物发现和生物分析的高密度多功能芯片。

降低样本量和试剂消耗、提高分析速度和降低成本的目标是将IVD设备制造推向一个新的极限,同时提高设备的复杂性和功能集成性。其尺寸和复杂性提出了重大挑战,涂层等制造后的修改也会影响生产过程和成本。

IVD设备中使用的材料不仅定义了应用程序的图案和处理,还定义了设备的制造、性能、功能和成本。由于激光加工、光刻、蚀刻自动化、晶圆键、功能、室温紫外粘合剂键等工艺的进步,玻璃和玻璃混合材料通常是最好的性能和最昂贵的耗材设备。


特征尺寸和设计复杂性

随着尺寸的减小,曾经被认为是缺陷的表面异常可以发挥作用,晶圆加工技术可以产生与生物聚合物和细胞结构尺寸相同的特征。反应离子蚀刻(RIE)在玻璃中创建了细胞和生物分子对接站,增加的表面粗糙度可以与分子识别元件(如适当的)耦合,以提高选择性。纳米流体将体积限制在亚微米通道中,以利用小规模现象。

虽然软光刻聚二甲基硅氧烷(PDMS)在学术研究中很常见,但玻璃的机械、化学和光学特性比这些材料有许多优点。例如,壁刚度和稳定性有助于纳米或微通道承受粘合或密封,而粘合玻璃承受流动压力的能力是关键。许多应用程序受益于玻璃的热性能、化学稳定性和可忽略的自发荧光。最后,玻璃表面可以通过硅烷化反应无限调整,以实现多种特性。

虽然硅通常是限制单个电池或创建特定流动部分所需的高纵横比特性的最佳材料,但当玻璃的其他特性(如光学平滑度、介电常数、金属层处理步骤要求、粘接方法等)时,玻璃通常可用作基板。半导体行业的加工技术可以创建高纵横比的微米和纳米通道,激光微加工和化学蚀刻的结合证明了玻璃的纵横比高达20:1。大量描述玻璃表面改性的工作表明,玻璃作为基材,具有迄今为止化学可调性最强的表面。

生物应用有时需要集成光学设备、光学窗口、电极、电子设备和3D结构(如屏障或孔隙)。将超快激光制造、化学蚀刻等减料技术与化学镀、CVD等增材方法相结合,可在玻璃和熔融石英中制造复杂的多功能芯片(包括聚合物表面的芯片),每种材料都有利于特定的应用和设计参数。由于混合材料设备可以克服使用活细胞的挑战,最好的解决方案通常是利用每种材料的特性。

基于芯片的IVD细胞培养系统的材料、配置和制造后处理的选择取决于要观察的细胞、培养基和现象。即使是通道设计也会影响细胞的活力,因为有些细胞比其他细胞更容易受到剪切应力的影响。PDMS经常被使用,因为它的渗透性允许芯片上的细胞和与芯片周围环境的气体交换。然而,当气体和离子意外迁移时,这种特性会损害细胞的健康。类似地,在设备的一个区域定位细胞的图案有很多优点,但细胞最终可能会受到影响,因为表面会影响细胞的形状和生理。

神经元细胞通常用电极测量,这使得玻璃或硅上电极的标准化图案成为选择任何材料的原因。透明氧化镓锡(ITO)电极的能力使平衡倾斜到玻璃上,因为它们允许用显微镜监测细胞,甚至在电极表面。

玻璃通常是光学方法的最佳材料,可以在室温下使用紫外线粘合剂,这在业内是众所周知的,具有经验证的生物毒性和生物相容性数据(见图1)。


细胞粘附和分选

将细胞限制在特定区域的方法包括表面的微米和纳米图案,以及使用TMMF(一种光结构材料)来创建所谓的2.5D结构的中间层来捕获和培养细胞。另一种策略是使用自组装的单分子层(SAM)来定义表面功能,以实现粘附、润滑、润湿或蛋白质的物理吸附。基于硫醇的SAMS与黄金发生反应,黄金是一种容易在玻璃上形成图案的金属。硅烷是另一种著名的玻璃反应化学工具,可实现IVD的重要表面修饰,包括增加细胞/生物分子粘附或液滴/数字微流体的疏水性;增加亲水性,防止生物材料吸附;并为离子缔合或其他目的添加表面电荷。

最近的研究表明,细胞几何形状的操作,如圆形或方形图案,会影响关键的细胞过程。深度反应离子蚀刻(DRIE)可以将硅、石英或玻璃晶片图案化,用于硅微柱阵列(见图2)。

微流控键合

图 2. 玻璃中的纳米柱增加了相互作用的表面积。

同样,光成像粘合剂(PBA)可以利用标准MEMS工艺直接实现玻璃上经济复杂的流体通道系统。

广泛应用于异质细胞群的分选。在三类细胞分选(基于荧光标记、珠子和无标记)中有多种选择机制:光力、电、声泳、磁、机械或被动。

根据目标的荧光效率、波长和检测限制(LOD),即使需要其他材料(如电极),玻璃或熔融石英通常表现最好,因为它们的自发荧光很低。无标记方法不一定不受驱动玻璃选择的光学透明度和低自发荧光要求。如果使用固有荧光、光学或光电镊子,玻璃或玻璃混合物通常是最好的。


应用基因组学

与其他生物测量一样,用于高通量和小体积核酸分析的最佳材料在很大程度上取决于检测机制和材料的热特性。玻璃,玻璃是理想的,作为基材,它有其他吸引力:光学玻璃或熔融石英不会强烈抑制聚合酶链反应(PCR)酶,也不会排气或吸收可能被污染的水或离子酶反应。

实现1000美元基因组目标的一项重大创新是认识到样本制备的作用,包括使用数字PCR(DPCR)扩展和定量DNA图书馆,这是将样本分为单分子分区的一种方法。如此小的分区使得定量以小百分比的顺序成为可能。

产生数千到数百万液滴的关键能力主要取决于数字微流控芯片的设计和制造(见图3)。由此产生的准确性和选择性有助于了解癌症和其他疾病中复杂的表达方式,以及液体活检等治疗和诊断方法。

微流控键合

图 3. 压力驱动液滴微流体组件的生产取决于玻璃的优异表面特性:低表面粗糙度、化学惰性和高精度制造公差,以确保可再现的液滴体积。

玻璃在制造压力驱动液滴微流体元件方面发挥着重要作用,因为它具有表面粗糙度低、化学惯性高、精度制造公差高的特点。此外,由于著名的表面化学,在亲水玻璃上形成疏水区相对容易,以产生均匀的液滴体积,并帮助液滴分离。

数字微流体利用电极阵列和电润湿产生液滴,并控制其大小和运动。因此,玻璃是最好的材料,因为所需的高密度ITO电极很容易在玻璃上形成图案(见图4)。

微流控键合

图 4. 高密度氧化铟锡 (ITO) 电极很容易在玻璃上形成图案。

许多下一代测序(NGS)技术使用了具有玻璃光学特性的光学方法。实现1000美元基因组的一项关键技术是建立一个玻璃表面,以创建一个图案流动池。图案可以显著降低图像采集时间。这一成功的重要因素是亚微米晶圆级图案的准确性,使微流控芯片中的测序空间极其密集地包装,达到传统荧光成像系统的光学分辨率极限。

虽然无标记分析似乎消除了对玻璃光学特性的需求,但玻璃仍有一些优点。对于硅和玻璃,通道蚀刻深度的亚微米控制可以提高阻抗检测的信噪比。ITO电极可以很容易地集成,从而集成数字微流体样品的制备,有助于减少珍贵样品和昂贵的试剂消耗。

无论应用程序是什么,IVD开发人员都必须平衡生物学和设备工程的要求。在任何情况下,选择循环池材料的基本步骤都会产生很大的影响。