新发现将传统微流控技术转变为开放式微流控技术

蒙特利尔工学院（Polytechnique Montréal）的教授Thomas Gervais和他的学生Pierre-Alexandre Goyette和Étienne Boulais，与麦吉尔大学（McGill University）David Juncker教授领导的团队合作开发了一种新型微流控工艺，旨在通过抗体自动检测蛋白质。这项发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的工作，指出了新型便携式仪器的出现，加速了生物实验室的筛选过程和分子分析，以加快癌症生物学的研究。

从传统微流控到开放式微流控

微流控指微尺度装置中的流体操纵。通常被称为“芯片实验室”，微流控系统被用于研究和分析非常小规模的化学或生物样品，取代用于传统生物分析的极其昂贵且繁琐的仪器。麻省理工技术评论在2001年将其列入“10大改变世界的新兴技术”，微流控技术被认为是生物学和化学领域的革命，就像微处理器之于电子和IT市场，微流控技术适用于更大的市场。

如今，这个仍然年轻的学科，在2000年代以微通道网络组成的封闭系统开始起飞，蒙特利尔工学院和麦吉尔大学研究人员的发现正在革新这项技术，加强了开放空间微流控技术的理论和实验基础。

这种消除通道的微流控技术与用于特定类型分析的传统微流控技术相比更具竞争优势。实际上，闭合通道微流控装置的经典配置存在若干缺点：通道横截面的规模增加了细胞在培养时所经受的压力，它们与细胞培养标准和培养皿不兼容，使得该行业很难采用传统微流控技术。

蒙特利尔工学院和麦吉尔大学研究人员探索出来的新方法基于微流控多极（microfluidic multipoles, MFMs），这是一种通过非常小表面上相对的微开口同步流体抽吸的系统，该表面被放置在厚度小于1毫米的有限空间内。Gervais教授表示，“当它们彼此接触时，这些流体喷射形成的图案可以通过化学试剂染色被看到。我们希望在开发可靠的微流控多极建模方法的同时，能够理解这些图案。”

优雅的视觉对称让人联想到艺术家M. C. Escher的作品

为了理解这些图案，Gervais教授的团队必须为开放的多极流开发一种新的数学模型。该模型基于被称为共形映射的经典数学分支，通过将其简化为更简单的几何图形来解决与复杂几何图形相关的问题（反之亦然）。

博士生Étienne Boulais首先开发出一款在多流体偶极子中研究微喷射碰撞（只有两个开口的微流控多极）的模型，然后，依靠这个数学理论，推测拥有多个开口的微流控多极模型。他解释道，“我们可以用象棋游戏进行类比，这其中有4名玩家的版本，然后是6名玩家或8名玩家，在保持相同游戏规则的同时应用空间变形技术。”

这位对视觉艺术充满热情的年轻研究员补充道，“当进行共形映射时，由流体喷射碰撞产生的图案形成对称图像，使人联想到荷兰艺术绘画家M.C. Escher，但是远超其美学吸引力，我们的模型允许我们描述分子在流体中移动的速度及其浓度。我们为最多12个极点的所有可能系统配置定义了有效规则，以生成各种流体和扩散模式。”

因此，该方法是一套完整的工具集，不仅可以模制并解释微流控多极中出现的现象，还可以探索新的配置。归功于这种方法，现在可以实现自动化开放式微流控测试，在此之前，对这种测试的探索只能通过反复试验。

使用3D打印制造该装置

微流控多极装置的设计和制造由Pierre-Alexandre Goyette完成。该装置是一种由树脂制成的小型探头，采用低成本3D打印工艺，并将其连接到泵和喷射器系统。

生物医学工程专业的博士生指出，“Juncker教授团队用固定在表面上的抗体检测蛋白质方面的专业知识，对于该项目的生物学研究具有重要意义。通过分析获得的结果验证了我的同事Étienne所开发模型的准确性。”

该装置允许同时使用多种试剂检测同一样品中的各种分子，为生物学家节省了宝贵的时间。针对特定类型的测试，分析时间可以从几天减少到几小时，甚至是几分钟。此外，该技术的多功能性使其适用于多种分析过程，包括免疫学和DNA测试。

朝着微流控显示器发展？

Gervais教授的团队已经在考虑其项目的下一步发展计划：开发一款能够显示化学成像的屏幕。

Gervais教授解释道，“它将成为液晶显示器的一种化学等价物，就像我们在屏幕上移动电子一样，我们会发送各种浓度的流体喷射，这些流体会与表面发生反应。它们将共同形成一个图像。能够推进这个项目令我们感到很高兴，同时我们也已经获得了一项临时专利申请。”

重新制定诊断程序和医疗后续行动

目前，该研究团队开发的技术主要针对基础研究市场。Gervais教授指出，“我们的工艺可以同时将细胞暴露于多种试剂，能够帮助生物学家大规模研究蛋白质和试剂之间的相互作用，增加分析过程中获得的信息数量和质量。”

他随后解释道，制药市场也将受益于这一发现所带来的自动化筛选系统新方法。最后，它通过促进患者细胞培养和各种药物实验来确定哪些药物对患者最有效，从而为药物开发开辟了一条新途径。