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和生命體一樣，芯片也處在不斷的進化之中。
隨著技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，芯片這一龐大家族正在朝著不同的方向“進化”。
以紙為基的芯片
自1947年，世界上第一個點接觸型的鍺晶體管面世，此后的芯片幾乎都采用以硅材料為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新型材料，包括 絕緣層上的硅材料、鍺硅材料、多孔硅、微晶硅以及以硅為基底異質(zhì)外延其他化合物半導(dǎo)體材料等。
因此，芯片也被統(tǒng)稱為“硅基半導(dǎo)體器件”。
隨著芯片的應(yīng)用場景變得更加廣闊，傳統(tǒng)硅基模式已無法滿足所有需求。各類新型芯片橫空出世，“紙基芯片”就是其中之一。
紙質(zhì)微流控芯片(paper-based microfludics)，簡稱紙基芯片，是采用紙張作為基底(如濾紙、層析紙及硝酸纖維素膜等)，代替硅、玻璃、高聚物等材料，通過各種技術(shù)在紙上加工出具有一定結(jié)構(gòu)的親/疏水微細通道網(wǎng)絡(luò)的微流控芯片。
紙基芯片和傳統(tǒng)硅基芯片一樣，可集成樣品制備、生物和化學(xué)反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，來實現(xiàn)各種功能。
其制作材料，分為疏水性和親水性兩種。疏水性材料如光刻膠、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、蠟、聚苯乙烯、烷基烯酮二聚體等；親水性材料則是紙基芯片的基質(zhì)材料，如：濾紙、硝酸纖維素膜、棉布等。
相比于難以提純以及成本高昂的單晶硅，紙張具有容易獲取和成本低等優(yōu)勢，并且通過毛細作用，液體可以流入紙張，使人們能在極小地空間內(nèi)簡便的操控液體。
紙基芯片因其檢測速度快、操作簡便、可便攜和成本低廉等優(yōu)勢，正在受到基礎(chǔ)科學(xué)研究、臨床疾病診斷等多領(lǐng)域的重視，極大促進了低成本分析技術(shù)的發(fā)展。
作為一個多元化應(yīng)用平臺，紙基芯片技術(shù)具有廣闊前景。尤其在一些資源受限的地方，如第三世界國家，缺乏昂貴的檢測儀器和訓(xùn)練有素的醫(yī)療保健專員，紙基芯片具有重大應(yīng)用價值。
“雖然價值巨大，但紙基芯片現(xiàn)在面臨著難以量產(chǎn)的難題。”東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授趙寧告訴億歐科創(chuàng)。
目前紙基芯片上微反應(yīng)通道的加工仍依賴于光刻、噴蠟打印、噴墨打印、絲網(wǎng)印刷和等離子刻蝕等技術(shù)，以上技術(shù)不僅需要精密的設(shè)備，并且加工效率低，難以實現(xiàn)紙基芯片的大規(guī)模制造。
此外，檢測結(jié)果讀出和數(shù)據(jù)儲存大多依賴于人工操作，不僅低效還存在一定的失誤率。紙基芯片大規(guī)模放量還需時日。
培養(yǎng)細胞的芯片
除了在材料上的探索，科學(xué)家及研究人員對芯片新應(yīng)用場景的探索也從未停止。
將芯片與有機“生命”的結(jié)合，一直是人類的夢想。以前這樣的場景只是出現(xiàn)在科幻電影中，而如今細胞共培養(yǎng)芯片讓這一場景的實現(xiàn)有了新的突破。
細胞共培養(yǎng)芯片一般用于研究細胞與細胞間的通訊機制，對揭示多細胞生物生理和病理過程具有重要意義。
細胞共培養(yǎng)芯片能夠模擬原生微環(huán)境以進行復(fù)雜的代謝和調(diào)控，為研究細胞與細胞間通訊提供了新的共培養(yǎng)技術(shù)平臺，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于腫瘤轉(zhuǎn)移及分析、抗癌藥物篩選、藥物吸收和藥物代謝等領(lǐng)域。
目前，細胞共培養(yǎng)芯片主要分為接觸共培養(yǎng)芯片和非接觸共培養(yǎng)芯片兩大類。
接觸共培養(yǎng)芯片以共腔室設(shè)計為主，非接觸共培養(yǎng)芯片既有共腔室也有獨立腔室，涉及微閥隔離、通道隔離、膜隔離的方式。
構(gòu)建芯片上的細胞共培養(yǎng)系統(tǒng)后，可通過滲透性分子的滲透率檢測、細胞活力檢測、電生理活性檢測、細胞標(biāo)記物檢測及電鏡觀察細胞形態(tài)生成等對該共培養(yǎng)系統(tǒng)或屏障進行評估以檢測該系統(tǒng)是否可用于研究細胞間通訊機制。
共培養(yǎng)系統(tǒng)的功能驗證可行，即可模擬原生微環(huán)境進行后續(xù)細胞通訊機制的研究，如細胞遷移、細胞分化、纖維化、毒性檢測等。
隨著細胞共培養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展，目前研究人員已構(gòu)建了多種細胞共培養(yǎng)芯片模型。其中，血管系統(tǒng)是建模多的組織，其次是血腦屏障、氣血屏障及肝模型。
微流控芯片上細胞共培養(yǎng)模型的建立提供了類體內(nèi)組織或器官的結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)二維細胞培養(yǎng)的諸多不足，可用于體外基礎(chǔ)研究，并應(yīng)用于靶向藥物篩選和毒性檢測等多個領(lǐng)域研究等。
但是，由于細胞種類少、體外生理代謝系統(tǒng)不完整，簡單的多種細胞共培養(yǎng)芯片模型對體內(nèi)復(fù)雜的生理尺寸、微環(huán)境等難以實現(xiàn)更真實化的模擬，未達到真正的人體器官的功能。此外，芯片上仍需對細胞外基質(zhì)的選擇、剪切應(yīng)力水平的調(diào)控、共培養(yǎng)的相互作用進行優(yōu)化。
隨著技術(shù)的發(fā)展，芯片上細胞共培養(yǎng)技術(shù)正從簡單的多細胞模型逐步向類器官的方向發(fā)展，以模擬生理穩(wěn)態(tài)以及復(fù)雜疾病過程所需的完整的器官級功能。
未來，還可以基于類器官芯片模型，通過流體連接來構(gòu)建芯片上的人體系統(tǒng)，從而能夠在系統(tǒng)級別上模擬多器官的相互作用和生理反應(yīng)，有效應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。
實現(xiàn)功能輔助的器官芯片
除了實現(xiàn)對細胞的培養(yǎng)，將芯片用于人體器官，可能是芯片與有機“生命”更近一步的結(jié)合。
器官芯片是一種新興的體外生物模型芯片，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。未來這些芯片終將取代動物用于安全有效的藥物篩選。
用動物模型來預(yù)測人類對新藥的反應(yīng)，失敗率很高，主要原因是物種間的根本生理差異。如人類和其它動物心臟細胞導(dǎo)電的離子通道，在數(shù)量和類型上都有很大不同。
以這些通道為標(biāo)靶的心血管藥物，往往由于這些差異而無效。開發(fā)一種藥物平均要花費50億美元，而其中60%用于前期的研發(fā)成本，器官芯片可大大節(jié)省新藥推進市場的成本和時間。
器官芯片的制造步驟通常是先制備微流控芯片，隨后在成形的微流控芯片本體內(nèi)引入細胞、細胞外基質(zhì)等元素來構(gòu)建仿生系統(tǒng)。目前，微流控芯片常用的制造方法有軟光刻法、激光切割法、熱壓法等。
據(jù)悉，科研人員已經(jīng)可以制備肝、腎、血管、心臟等人體主要器官的器官芯片并開始應(yīng)用。
隨著人體器官芯片技術(shù)的發(fā)展，在芯片上同時構(gòu)建多個器官的“多器官芯片”成為當(dāng)前研究的熱點。
有科學(xué)家推測，人體器官芯片的終形式將擁有10種以上的器官類型，包括肝、腸、心、腎、腦、肺，以及生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、血管系統(tǒng)和皮膚等，從而得到一個完整的“芯片人體”。
這樣一來，就能夠監(jiān)控藥物對芯片上“人體”的反應(yīng)，并終勘察出藥物對不同器官或整個系統(tǒng)的藥理和毒性作用，以便更加精細地研究各類疾病以及研發(fā)藥物。
盡管人體器官芯片研究已取得顯著進展，但其未來發(fā)展仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，比如：如何建立更符合人體生理特征的器官芯片體系，如何實現(xiàn)多種器官的功能關(guān)聯(lián)性和兼容性，以及如何實現(xiàn)芯片標(biāo)準化和集成傳感檢測等。
除此之外，器官芯片相關(guān)研究的開展通常還受限于繁瑣和昂貴的制備過程。好在，近年來，3D打印技術(shù)飛速發(fā)展?；蛟S在未來，3D打印技術(shù)能實現(xiàn)器官芯片制備的簡易化、低成本化，以及芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和成型一體化。
眾多技術(shù)的突破，也有力推動器官芯片相關(guān)研究的發(fā)展，為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供有力支持。
在芯片“進化”的道路上，人類還有很長的路要走。
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