可檢測疾病的晶元實驗室：生產成本只需1美分！

導讀

操作難度高和價格昂貴是阻礙醫療設備普及的關鍵瓶頸。然而最近，斯坦福大學醫學院的科研人員創建了一種「晶元實驗室」的新生產方法，使用了一種普通的噴墨印表機，使得每個晶元製造成本低至1美分，製造時間縮短至20分鐘內。

Rahim Esfandyarpour

(圖片來源於：斯坦福大學)

簡介

斯坦福大學基因組技術中心主任、生物化學和遺傳學教授 Ron Davis 博士認為，和低成本的基因組測序一樣。這項新技術在醫療診斷方面具有革命性意義，它使得每片晶元的生產成本低至1美分。

一篇描述這項技術的研究論文，發表在2月6號的美國國家科學院院刊上。Davis 是這篇論文的資深作者，領導作者是基因組中心的 Rahim Esfandyarpour 博士。

造福發展中國家

這種價格低廉的「晶元實驗室」技術，能夠普遍地提高世界各地的醫療診斷能力，特別是發展中國家。在低收入國家，由於早期診斷的匱乏，乳腺癌患者的存活率只有40%，這些患者中一半來自於發展中國家。其他的致死疾病，例如瘧疾、結核病和艾滋病，在發展中國家的發病率也很高，治療效果也很差。

特別是由於大多數的此類診斷設備成本達數千美元，所以更好更廉價的診斷設備將有助於扭轉這一局面。

對此，Esfandyarpour 評論道：

「疾病的早期檢測，為我們進行有效治療提供了最佳機遇。也許1美元，在美國並不算太多錢，但是在一些發展中國家，這仍然是很多錢。」

系統的原理和應用

(圖片來源於：斯坦福大學)

晶元實驗室結合了微流體、電子器件和噴墨列印技術。系統由兩部分組成：第一部分，是一個乾淨的硅微流體腔，它可以容納細胞和可重用的電子條；第二部分，是一個常規的噴墨印表機，它使用商用導電電子墨水，將電子條列印到柔性聚酯片上。

Esfandyarpour 是一位訓練有素的電氣工程師，稱一片晶元可以在20分鐘內生產完成，他們的設計可以訓練個人完成設備製造，從而取代之前的潔凈廠房。

這是一種多功能平台設計，其中一項應用就是讓用戶可以分析不同的細胞類型，並且無需使用專門的追蹤細胞的熒光和磁標籤。相反，晶元基於細胞內在的電氣屬性分離它們：

當一個電勢施加於噴墨列印的電子帶上時，細胞會被載入到微流體腔中，根據它們在一種被稱為雙向電泳過程中的「極化性」，被牽引至不同的方向。

這種方法，無需標籤的細胞分析，極大地提升了精度，減短了原本冗長的標記過程。

該工具可以處理小容量樣本，進行各種各樣的化驗。研究人員展示了該設備可以從一個混合物中捕捉單個細胞，隔離罕見細胞，並且根據細胞類型對於細胞計數。

這種多功能的生物晶元成本，比使用單獨的技術來進行每個功能的操作，成本低幾個數量級。例如，一個用於細胞的分類和計數的，獨立的流式細胞儀檢測機 ，成本達10萬美金，這還沒有計算任何操作成本。

有利於醫療診斷的普及

這種低成本的晶元可以使得醫療診斷變得普及，它和低成本的基因組測序技術一樣，為衛生保健和個人醫療帶來革命性的影響。

這種廉價測序技術，讓臨床醫生能夠對於腫瘤DNA序列進行測序，判斷出特定的突變，並且推薦個性化的診療方案。同樣，這種晶元實驗室也可以通過檢測血液循環中的腫瘤細胞，進行癌症早期診斷。Davis 說：

「這種基因工程改變了許多醫療方式，我們想要繼續創造各種各樣的其他醫療技術，真正的廉價和便於操作。」

Esfandyarpour 認為這項技術不僅帶來了醫療保健方面的進步，而且加速了基礎和應用研究。它讓科學家和臨床醫生能在短時間內分析更多的細胞，操控幹細胞完成有效的基因轉移，以及開發低成本的疾病診斷方式。

團隊希望這個晶元可以改變人們在實驗室中使用儀器進行診斷分析的方式。他說：「我十分肯定，它將為科研人員打開一扇窗戶，因為它讓一切變得簡單，只需要列印和使用。」

參考資料

【1】http://med.stanford.edu/news/all-news/2017/02/scientists-develop-lab-on-a-chip-that-costs-1-cent-to-make.html

【2】Rahim Esfandyarpour, Matthew J. DiDonato, Yuxin Yang, Naside Gozde Durmus, James S. Harris, Ronald W. Davis.Multifunctional, inexpensive, and reusable nanoparticle-printed biochip for cell manipulation and diagnosis. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017; 201621318 DOI: 10.1073/pnas.1621318114