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復旦大學孔繼烈教授微流控技團隊在微流控技術產業(yè)化方面的進展詳細報告
2021-01-19
微流控芯片技術是生物醫(yī)學領域的重要前沿方向,具有高通量、多靶點、快速、精準、操作簡便等特點,可廣泛應用于分子生物學、醫(yī)藥、免疫等領域.近日,復旦大學孔繼烈教授就微流控技術以及其團隊在微流控技術產業(yè)化方面的進展做了詳細報告.
孔繼烈教授簡介:
男, 1964年生,1983-1993年分別獲復旦大學學士、碩士和博士,1996-1998年分別在美國肯塔基州路易威爾大學和康州州立大學做博士后.
復旦大學教授、博士生導師,國家杰出青年科學基金獲得者,復旦大學生物醫(yī)學研究院PI,教育部創(chuàng)新科學儀器工程研究中心主任.在化學/生物傳感器及微流控芯片分析系統(tǒng)、熒光檢測儀器研制等領域取得有影響的成果,先后主持基金委重點/面上項目、"973"子課題、"863"項目等.已在包括J.Am.Chem.Soc.,Angew.Chem. Int. Ed. Anal.Chem. ACS Nano等知名學術刊物發(fā)表SCI論文330余篇,被同行引用12500余次,獲得國家發(fā)明專利40余項.任《Am. J. Anal.Chem.》、《分析化學》、《分析科學學報》、《分析儀器》、《電化學》等刊物編委,中國儀器儀表學會電分析化學專業(yè)委員會副主任、化學傳感器專業(yè)委員會委員.
從"廟堂之高"的基礎研究到"江湖之遠"的技術發(fā)明
科學儀器的源頭是分析化學專業(yè),但其更多的應用在生物醫(yī)藥以及診療等領域.近年來,"精準醫(yī)學"概念的出現(xiàn),更是急切呼喚創(chuàng)新分析測量技術與儀器."精準醫(yī)學"的最核心的部分是"精準的診斷",這也是新藥研發(fā)及提出新興治療方案的前提.作為生物醫(yī)療領域的前端,像現(xiàn)在非常熱門的靶向診療(診療一體化),要求首先在診斷層面明確知道是什么原因導致疾病的發(fā)生.無論是常見病癥還是癌癥,都需要微流控這樣的技術出現(xiàn).
從宏觀的層面來講,無論是蛋白質水平相關儀器,還是核酸水平相關儀器,國產醫(yī)療器械市場占有率還很低.上海三甲醫(yī)院,很多都在使用羅氏、雅培、西門子的設備.即便在生化水平,即小分子的診斷設備,國內雖有很多公司在做,但是與世界上先進設備相比,仍有很大的差距.
從學科角度來講,微流控技術衍生于分析化學,而無論從學科知識的構成,還是人才培養(yǎng),都是多種相關學科交叉的結果.儀器的產業(yè)化是一個系統(tǒng)工程,要集聚非常多的交叉學科的人才,單純依靠分析化學或者微流控技術,都不能完成一臺整體的集成化設備的制造.因為這還涉及到軟、硬件支持,材料學,多種加工工藝,以及越來越多的新技術(如3D打印等技術).此外,還要有生物醫(yī)學、創(chuàng)新診斷方法學等多方面的共同結合.
作為高校,要集聚這么多人才進行同一個項目,非常困難.因此,國家也在鼓勵創(chuàng)業(yè)平臺,將不同領域的專業(yè)人才聚集起來,共同進行儀器的研發(fā)生產.目前,孔繼烈教授與他之前指導畢業(yè)的博士們正在做這件事.
微流控領域存在的"多、少"問題
目前,微流控技術,尤其是微流控領域的產業(yè)化還有很多問題,主要包括以下幾個方面:
1、進口多,國產少.
首先涉及到的很多器件,如光學器件、光電轉換器件等,大部分性能很好的器件多來自美國、日本等國家.因此不單是整機的技術缺乏,上游的零部件技術也很缺乏.從整體來講,現(xiàn)狀是蛋白質、核酸檢測的二類醫(yī)療器械,無論是化學發(fā)光還是電化學發(fā)光設備,大部分是羅氏、梅里埃等公司的.
2、上游多,下游少
"上游多,下游少"是指在研究過程中,大部分研究者做的是上游方法學的研究,雖然很前沿,反映了這個學科發(fā)展最新的聚焦點,但是往下延伸的比較少.很多微流控方向的研究生,發(fā)了很多SCI文章,之后就不了了之了.
3、前端多,后端少
研究人員可以做方法,做技術,甚至可以搭一個裝置,但是沒有辦法定型,也沒有辦法做質控的標準.比如從計量的角度,這個產品怎么檢驗?怎么能達標?企業(yè)標準,行業(yè)標準,甚至國家標準,這些標準全面缺乏.當然這不是一家單位就能做的,需要行業(yè)內多家單位協(xié)同完成.
4、器件多,集成少
早些時候,很多實驗室可以自行搭一臺裝置.例如最早在實驗室做微流控,用數(shù)字化的光譜儀、光纖和光電檢測器件組裝而成.但是,這不是一臺完整的儀器,因為無法在同一個軟件中發(fā)送指令進行信號提取、信號處理和出具結果等等,這和儀器是有距離的.
離心式微流控芯片核酸檢測儀的技術及應用
離心式微流控芯片核酸檢測儀(原型機)是孔繼烈教授團隊研制的第一代微流控設備,包括芯片系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、高速旋轉系統(tǒng)、光電檢測系統(tǒng)等模塊.研發(fā)目標是實現(xiàn)核酸的提取和擴增放在同一個芯片中完成,這在第一代原型機還無法實現(xiàn).
2017年,孔教授團隊開始第二代產品開發(fā),在光路、電路、信號放大、離心盤的可控性等方面進行了優(yōu)化,可實現(xiàn)在同一個檢測平臺上做多種需求的靶點數(shù)、樣本數(shù)的檢測,如8個靶點4個通道或4個靶點8個通道或2個靶點16個通道的盤.
第二代設備叫做核酸檢測一體機,孔教授團隊正在將一體機做成三類醫(yī)療器械——將來可以和醫(yī)院檢驗科對接的設備,在30分鐘內完成樣本前處理,包括細胞的破碎,DNA的釋放,原位擴增及檢測.對于傳統(tǒng)PCR 檢測是革命性的突破.
從方法學的角度來講,該設備融合了很多基礎研究的成果,包括蛋白質、DNA的納米分子診斷技術、微流控驅動技術、集成技術、區(qū)域精準控溫技術、高敏熒光檢測技術、微流控盤快/慢速切換技術,可實現(xiàn)多模塊集成工作.
該設備的應用方向十分廣泛,包括公共衛(wèi)生、食品安全、檢驗檢疫、以及基于微流控的免疫抗原抗體反應等等.已開發(fā)的典型的應用案例如下:
1、8種不同種屬肉的同時溯源,特異性和靈敏度非常高.
2、非洲豬瘟特異性檢測,可做到高通量現(xiàn)場快速篩查,靈敏度達到10個拷貝.
3、轉基因大豆檢測,可以很快完成多種轉基因亞型的溯源.
4、降鈣素原(PCT)微流控免疫檢測,是針對臨床感染的蛋白質指標的新型檢測方式,目前檢測靈敏度顯著高于傳統(tǒng)同類儀器.
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