體外診斷是疾病早期篩查和預(yù)后評估的重要方法，隨著醫(yī)學(xué)和檢測手段的不斷發(fā)展，體外診斷的精準性、靈敏性不斷提高，但仍有眾多痕量核酸和蛋白對高靈敏檢測方法提出嚴苛要求，例如重大精神疾病診斷、腫瘤早篩、病原篩查、伴隨診斷等。近年來以數(shù)字PCR(dPCR)和數(shù)字ELISA(dELISA)為代表的單分子計數(shù)帶來了數(shù)字化分子診斷的革命，實現(xiàn)了前所未有的單分子絕對定量，比傳統(tǒng)PCR或ELISA靈敏度可提高1000倍，在遺傳病、病原體、癌基因檢測等分子診斷領(lǐng)域等領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的作用。然而，目前PCR/ELISA的核心技術(shù)被國外壟斷，國內(nèi)缺少真正的原創(chuàng)革新技術(shù)，并且目前國外產(chǎn)品成本高昂、操作復(fù)雜費事、通量有限，因此需要開發(fā)新型的分子及免疫高靈敏技術(shù)，其技術(shù)核心是高通量的陣列化微流控芯片。

近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院的微納系統(tǒng)與仿生醫(yī)學(xué)研究中心吳天準課題組在快速化微液滴生成和高密度顆粒陣列方面取得了重要進展。在課題組前期仿生豬籠草超滑表面研究（Sensors and Actuators B: Chemical 235, pp. 732-738, 2016）基礎(chǔ)上，歷經(jīng)幾年潛心研究，創(chuàng)新性地將仿生表面微流控用于新型dPCR和dELISA所需的高通量陣列化，相關(guān)研究成果以論文Ultra-fast Microdroplet Generation and High-density Microparticle Arraying Based on Biomimetic Nepenthes Peristome Surfaces發(fā)表在表界面領(lǐng)域頂級期刊ACS Applied Materials & Interfaces（IF: 8.758）上。研究助理彭智婷為該論文的第一作者，吳天準研究員為通訊作者，陳艷研究員為共同作者。

該論文受自然界中豬籠草瓶口特殊三維楔形結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，創(chuàng)新性地將三維傾斜微陣列表面用于高通量液滴、細胞和顆粒的分散陣列化。論文描述了該3D仿生豬籠草瓶口表面(Nepenthes Peristome Surfaces, NPS)在滑動模式下，借助曲率誘導(dǎo)的拉普拉斯壓力實現(xiàn)了超快微滴生成；以及在爬升模式下，利用蒸發(fā)驅(qū)動的馬朗戈尼效應(yīng)實現(xiàn)了高密度微顆粒的聚集與排列。通過調(diào)節(jié)接觸角和傾斜角，觀察到了液滴由于接觸線各向異性的運動與釘扎，在NPS上表現(xiàn)出不同的潤濕現(xiàn)象，且由于不同條件下的膜厚梯度，最終導(dǎo)致微液滴的產(chǎn)生和微顆粒的陣列效果具有顯著的差異。在實驗室經(jīng)過初步優(yōu)化，NPS可在65秒內(nèi)排列粒徑為5微米，覆蓋率為85%的40萬個微珠；可在3秒內(nèi)排列直徑約20微米，覆蓋率為100%的成千上萬的微滴。并且，科研人員進行了dELISA的概念演示，獲得了各種濃度下良好陣列的免疫復(fù)合物微珠陣列，驗證了C型反應(yīng)性蛋白(CRP)的計算濃度與常規(guī)ELISA測定的良好一致性。這種精心設(shè)計的仿生表面表現(xiàn)出了優(yōu)異、便捷的高通量陣列性能，并作為一種超快、通用、直接在水溶液中捕獲和陣列單細胞的方法，可廣泛應(yīng)用于各種物理、生物和化學(xué)分析，特別是可視化的高通量陣列分析。

(a)不同濃度CRP制劑的微粒子陣列的代表性熒光圖像。標尺：80 um。(b)六種不同濃度梯度的CRP試劑。(c)微粒的熒光光密度(O.D.)與CRP的實際濃度成正比，具有良好的一致性

該論文展示了很強的應(yīng)用價值和潛力，可在數(shù)秒到數(shù)十秒之內(nèi)生成數(shù)以萬計的單分散、高密度液滴和微珠陣列。經(jīng)過后續(xù)技術(shù)完善，有望實現(xiàn)分子數(shù)字PCR與數(shù)字ELISA在同一芯片及儀器平臺的復(fù)用，并可支持96樣本同時進樣，可望大幅縮短處理時間，降低芯片成本、整機費用和單次測試樣本成本，促進dPCR和dELISA的親民化、普及化。相關(guān)的多個核心發(fā)明專利已轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化到微納中心孵化的高科技醫(yī)療器械企業(yè)（深圳市中科先見醫(yī)療科技有限公司）。近期基于該核心技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化成果，中科先見攜“免疫/核酸單分子檢測全集成系統(tǒng)”項目參加第三屆中國醫(yī)療器械創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽決賽，受到業(yè)內(nèi)專家的高度評價，獲得總決賽初創(chuàng)企業(yè)組亞軍。

該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、廣東省干細胞重大專項、廣東省應(yīng)用科技專項及深圳市技術(shù)攻關(guān)項目等資助。

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