研究人員開發出僅一厘米大小的診斷癌癥的3D打印芯片

　　醫學診斷感覺像變魔術一樣。只需幾滴血，醫生就可以快速解讀病人的健康狀況，如生物標記水平是否在范圍內?有感染的跡象嗎?患者的細胞是健康的，還是有癌變跡象?

　　在診斷生命和呼吸技術方面，大多數實驗室測試主要依賴專業機械和技術人員團隊，以確保他們安全和正確地完成診斷。這是一個非常昂貴的花費，即使是最基本的設備，可能花費也是數千美元，遠遠超過發展中國家能夠承受的價格。例如，分離血液的不同組分的離心機。

　　在沒有更便宜的選擇情況下，許多國家深受艾滋病毒或瘧疾影響。對這些國家的人來說，現代診斷也許是魔術。

　　現在，一個斯坦福工程師團隊已經找到了一個更便宜的替代品。在美國國家科學院學報中發表的一項研究描述了一種可重復使用的小型微芯片，可以診斷多種疾病。

　　據悉，每個芯片是通過標準噴墨打印，只需要20分鐘即可組裝。

　　“據我們所知，這樣一個具有類似功能、成本和優勢的平臺尚未被報道，”該團隊領導者Ronald Davis博士在他們的論文總結中說道。

　　“這真的是一個大的突破，”斯克里普斯翻譯科學研究所的Eric Topol博士說。 “我不知道用什么詞來形容”。

　　診斷：從物理實驗室到芯片實驗室

　　當像HIV或瘧疾這樣的疾病發作時，并不是每個細胞都會被感染。為了獲得準確的數據，科學家經常首先嘗試隔離罪魁禍首細胞。

　　由于患病人群的細胞通常是比健康細胞小得多，科學家經常需要用特殊標記標記他們，以使機器可靠地挑選它們。這一步是漫長而艱難的，不是所有的靶細胞都標記有標記，有時標記本身可以改變細胞的特性，這會中斷隨后的讀數。

　　大約15年前，科學家開始探索將整個過程簡化和小型化的可能性。大多數細胞和生物分子具有不同的性質，如大小、形狀、密度和電荷。利用這些屬性，科學家做了幾十個專門的傳感器，只捕獲具有特定屬性的生物顆粒。

　　當與微流體(一種處理少量液體的技術)結合時，傳感器即將從血液和其他生物樣品的液滴中分離血細胞、螯合細菌，或抓住各種蛋白質和DNA分子。就是這樣，實驗室第一個芯片器件誕生了。

　　幾乎在同一時刻，全球衛生倡導者意識到這些便攜式診斷設備對于幫助貧窮的發展中國家的潛力。

　　研究作者Rahim Esfandyarpour博士向Singularity Hub說，“[這些]平臺通常需要使用無塵室、先進的設備和經過高度培訓的人員來執行制造程序。這整個過程可能需要幾天或幾周。”

　　柔性噴墨納米顆粒印刷生物芯片

　　為了規避這些問題， Davis的團隊轉向一個令人驚訝的制造設備：噴墨打印機。

　　新的芯片稱為FINP芯片，是一種模塊化的三層夾心結構，頂部可重復使用的層由直接印刷在柔性聚乙烯片上的市售導電顆粒制成。底層是設計成保持生物流體的一次性硅膠腔室。薄的絕緣阻擋層將頂部電子器件與硅膠腔室隔開。

　　制造芯片是一個簡單的兩步過程。

　　首先，用戶可以使用任何矢量繪圖軟件(例如Adobe Illustrator)繪制定制的電子配置。由于不同的配置可用于不同的診斷目的，此步驟可根據用戶的確切需要定制芯片。

　　接下來，使用任何噴墨打印機，將繪制的電子圖案印刷在便宜的塑料狀片材上，并且沖壓到可以批量供應給用戶的一次性使用的腔室上。

　　就像3D打印一樣，這些設計最終可以下載，允許任何打印機在需要時生成自己的生物芯片。

　　“生產只需要20分鐘，”Esfandyarpour說。

　　與之前的微芯片類似，FINP芯片基于其固有的電性能分離細胞和生物分子。作為概念驗證，該團隊設計了一種具有兩種類型腔室的芯片：一種分離細胞，另一種分析細胞。然后他們通過一系列實驗運行器件來驗證芯片。

　　在一個測試中，團隊顯示該裝置可以有效地從流體樣品中捕獲乳腺癌細胞。與大多數生物分子(如蛋白質和DNA)類似，癌細胞具有獨特的表面電荷。通過操縱電子領域，研究人員能夠將癌細胞導向芯片上的特定室，并將其捕獲在那里，遠離所有其他細胞類型。

　　由于選擇罕見的循環腫瘤細胞的能力可以增加我們對癌癥轉移的了解，該設備可以幫助我們檢測疾病的早期傳播和拯救生命。這對發展中國家來說非常重要。

　　在另一個實驗中，團隊想要查看芯片是否可以用于精確計數給定樣品中的細胞數。免疫細胞計數通常用于診斷感染性疾病，如結核病和瘧疾。傳統上使用稱為流式細胞術的技術，設備花費10萬美元。使用芯片，其診斷結果也表現良好。

　　民主化診斷

　　FNIP芯片是節儉科學的最新勝利，其為世界各地的醫生帶來便宜、便攜和可靠的工具。

　　在此之前，你可能聽說過一些以前的設計，如一個只需50美分的可折疊顯微鏡，或一個不需要電的紙離心機。

　　Davis和他的團隊正在努力使他們的芯片商業化。

　　“任何用于診斷或其他生物醫學應用的平臺在商業化之前都必須通過幾個測試，以此驗證和優化路徑。”Esfandyarpour說。

　　“我們相信，這項工作將使更多的資源貧乏的發展中國家的個人獲得診斷工具，”Davis說。