微流控芯片,又称为芯片实验室(LabonaChip),是指在几平方厘米或更小的芯片上构建的微型化、集成化、自动化的化学、生物学实验平台图。千讯咨询发布的中国临床检测仪器市场前景调查分析报告显示,微流控芯片在微升或纳升尺度操控流体,使物质之间相互作用,从而实现物质、能量、信息的传递,达到所需的物理、化学或生物学效应。简单来说,微流控芯片可以把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上,自动完成分析全过程。拥有体积轻巧、使用样品及试剂量少,且反应速度快、可大量平行处理及可即用即弃等优点。
根据麦姆斯咨询(MEMSConsulting)的统计,2017年全球微流控芯片的市场规模约为35.2亿美元,全球微流控市场总体呈现高度分散状态,主要由几家大型供应商和小型市场参与者构成。主要厂商包括美国丹纳赫公司(Danaher)、德国艾利尔公司(Alere)、美国珀金埃尔默公司(PerkinElmer)、美国安捷伦公司(Agilent)、美国赛默飞世尔科技(ThermoFisherScientific)、美国伯乐公司(Bio-RadLaboratories)以及美国碧迪医疗公司(Becton,DickinsonandCompany)。
当前微流控行业在全球范围内有700余家公司,40多家微流控工厂,4500多项微流控专利。
微流控产品上市后促使企业股价、业绩飞越式增长。如Cephied的微流控产品GeneXepert上市后,公司收入翻7倍,股价最高翻6倍;TearLab检测干眼症的产品TearLabOsmolaritySystem上市后收入翻8倍,股价最高翻10倍。
市场良性循环,大型诊断公司正在竞相收购。他们通常在庞大的产品组合中提出一些成功的微流控解决方案。包括雅培Abbott、艾利尔Alere、生物梅里埃bioMérieux和罗氏Roche在微流体解决方案的驱动下至少在一个细分市场见证了增长。在众多开发微流体产品的公司中,最有前途的产品往往会被大型诊断公司收购:IQuum和BioFire,Cepheid和Nanosphere,这些公司都被更大的企业收购。同时,GenePOC收到了来自Debiopharm的大量投资。
在这个有吸引力的环境背景下,自2015年以来,微流体行业中已经产生了近250亿美元的并购交易。这形成了一个良性循环:最有前途/最成功的创业公司被收购或自己成长为大公司,投资者渴望利用微流控技术和专有技术,而将资金投入到越来越多新崛起的公司中。
从Manz和Widmer等人采用芯片实现了此前一直在毛细管内完成的电泳分离,于1990年首次提出微型全分析系统(MiniaturizedTotalAnalysisSystem,(μTAS)的概念,到1995年首家从事微流控芯片技术的CaliperLifeSciences公司成立,90年代中期,美国国防部提出对士兵个体生化自检装备的手提化需求催生了世界范围内微流控芯片的研究;在整个90年代,微流控芯片更多的被认为是一种分析化学平台;因此,原则上,微流控芯片作为一种"微全分析"技术平台可以应用于各个分析领域,如生化医疗诊断、食品盒商品检验、环境监测、刑事科学、军事科学和航天科学等重要应用领域,其中生物医学分析是热点。
2000年左右G.Whitesides等关于PDMS软刻蚀的方法在Electrophoresis和AnalyticalChemistry上发表,再到Quake等以"微流控芯片大规模集成"为题在Science上发表文章,2001年,"LabonaChip"杂志创刊,它很快成为本领域的一种主流刊物,引领世界范围微流控芯片研究的深入开展。接下来的2003年,微流控技术被
Forbes杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一。Business也在2004年把微流控技术誉为"改变未来的七种技术之一"。2006年7月Nature杂志发表了一期题为"芯片实验室"专辑,从不同角度阐述了芯片实验室的研究历史、现状和应用前景,并在编辑部的社评中指出:芯片实验室可能成为"这一世纪的技术"。至此,芯片实验室所显示的战略性意义,已在更高层面和更大范围内被学术和产业界所认同。
这些里程碑式的工作使学术界和产业界看到了微流控芯片超越"微全分析系统"的概念而发展成为一种重大的科学技术的潜在能力。例如,利用微流控芯片作为一种微反应器,通过在微流控芯片上开展组合化学反应或结合液滴技术,有望用于药物合成与筛选,或纳米粒子、微球、晶体等的高通量、大规模制备,甚至形成一种"芯片上的化工厂或制药厂";还有利用微流控芯片的集成功能来制作器官芯片,用于仿真人体器官中的最小功能单元,实现药物或化学物质在非活体环境(invitro)中,研究活体环境(invitro)的交互反应,是一种用于了解、评估疾病、药物、化学物质与食物等对人类影响的3D芯片设备。而"器官芯片"这一技术在2016年的达沃斯论坛上入选了年度十大新兴技术之一,被誉为与新燃料电池和无人驾驶汽车齐名的新兴技术。同时微流控芯片以其强大的应用范围(生物医学、药物筛选、运动竞技、国防科技、司法鉴定、食品安全、环境监测)成为了是当代极为重要的新兴科学技术平台和国家层面产业转型的潜在战略领域。在2016年7月国家国务院印发的《"十三五"国家科技创新规划》中李克强总理明确提出"POCT产品要突破微流控芯片、单分子检测等关键技术,开发全自动核酸检测系统等重大产品,研发一批重大疾病早期诊断和精确治疗诊断试剂以及适合基层医疗机构的高精度诊断产品"。而来自中国大连化物所的林炳承研究员于2006年7月《微流控芯片实验室》序中也说道"时至今日,微流控芯片的研究早已超出了学术界的范畴,它很可能成为信息科学和生命科学之间沟通的桥梁,在未来五年、十年或者十五年中发展成一种举足轻重的产业,大幅度改善人类生存的质量,影响人类的未来"。
在近期,FDA与Emulate,Inc.签订了题为"可将Organs-on-Chips技术作为毒理学测试平台,用于对影响人类的健康和安全的研究"的协议,这意味着,在美国,器官芯片对新药筛选的结果的得到了FDA的承认,也就是说在药物筛选阶段可以直接跳过活体动物这个环节,可直接在器官芯片上进行,这一协议也充分说明了微流控芯片以后对世界的重大影响和战略性意义。
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