微流道的發展與應用--生醫工程實驗期中報告--

B03901113 電機四 王 捷

B03901178 電機四 楊孝政

B03901020 電機四 賴彥廷

(1) 微流道的簡介

顧名思義，為流道就是微米尺度的流道，因為屬於層流的範圍，可用來精準地控制流體的方向和體積量。

主要的優勢有:

(1) 小容量- 可以節省試劑的使用

(2) 小體積- 方便攜帶

(3) 低耗能- 減少電源的供應

(4) 容易定量- 短時間內取得大量數據

(1) 原理

流體在小尺度的系統下主要以層流的方式流動，因為慣性力相對於黏滯力較小，不同流層之間不會互相干擾。流體是否為層流取決於ReynoldsNumber, 也就是慣性力和黏滯力的比例。大約在1500以下稱為層流，1500以上微汶流。這樣不僅容易控制流體的方向，也可以讓兩種並排的流體不會互相混和。

Glass Silicon Paper

(2) 製程

(2) 製程 – PDMS製作微流道晶片

Overview

(2) 製程 – PDMS製作微流道晶片

• 將光阻塗佈在Silicon Wafer後，進行一系列黃光製程。

• 留下微流道的pattern。

(2) 製程 – PDMS製作微流道晶片

A. PDMS為黏稠液體，需先加入固化劑，以10:1的比例攪拌混和。

B. 將攪拌過程中所產生的氣泡抽除。C. 把氣泡抽除後的PDMS倒入pattern好的

Silicon Wafer

(2) 製程 – PDMS製作微流道晶片

• 經過烘烤固化，從Wafer表面取下裁切，進行表面處理。

• 最後與玻璃或PDMS結合，即完成整個製作。

(3) 重要的應用-Lab-on-chip(LOC)

• 將許多生化反應整合在單一的晶片上面，又稱作微型全分析系統(Micro Total Analysis Systems, µTAS)

(3) 重要的應用-Lab-on-chip(LOC)

• 目前製造實驗室晶片的方法，主要依靠微機電系統技術(Microelectromechanical Systems, MEMS)

• 透過此技術製造出微米等級的通道、感測器和致動器，來操作微米尺度的物質。

(3) 重要的應用-Lab-on-chip(LOC)

• 主要優點：• 成本低

• 能夠平行進行多種檢驗

• 減少人為誤差

• 容易使用且分析速度快

• 使用少量檢測樣品和試劑便可以檢測

• 發展瓶頸：• 難以工業化

• 與傳統檢測技術，結果較不準確。

• 需要額外的系統，才能操作晶片。

• PCR晶片：利用微流道來進行DNA片段的複製。

• 蛋白質晶片：酵素連結反應分析(ELISA)，用以檢測抗原與抗體。

• 化學合成：同時進行多個反應，能夠快速控制晶片溫度，提升化學反應產率。也能夠處理有毒或易爆炸的化合物。

• 環境監測：室外空氣及水質監控。

• 將特定應用的晶片商業化：血糖監測、HIV病毒檢測或心血管疾病診斷

• 與行動裝置整合：達到即時的系統處理、控制及監控功能。

(3) 重要的應用-Lab-on-chip(LOC)

(3) 重要的應用-Lab-on-chip

將許多生化反應集中在單一的晶片上面，可降低反應時間並且節省試劑的使用。舉例來說，最近很熱門的PCR晶片就是使用微流道的方式來進行DNA片段的複製。

(3) 重要應用 Whole Blood Processing許多檢測和研究需要將血液進行分離。舉例來說，從一個病患抽出的血液找出感染細菌的種類。目前醫學上多用離心的方式來分離血液的內容，然而中仍參雜了許多影響研究的細胞核物質。

也有人直接將微流道整合在相關的儀器上。Kyung Hee University的團隊運用他們研發的血液試管跟特殊的試管頭，發展出高通量的過濾系統(904.3 μL/min)

利用微流道的構造可以有效的從病人中的血液中分開血球跟血漿，並且進一步的觀察單一細胞種類的型態和數量。

(3) 重要應用 Circulating Tumor Cells

美國Vortex公司研發出的微流道結構可以捕捉血液中的CTC。獲得SLAS 2017 Innovation Award

這種方式抓取CTC可以增加所找到的癌細胞量，而且也不會破壞其他種類的細胞。但是相對目前捕捉CTC的技術，該方法尚未量產的主要原因是使用時需要街上複雜的管線。另外樣品的保存期限很短，所以細胞會迅速壞死或是發臭。

(3) 重要應用Organ-on-Chip

2012 年由美國FDA、美國國防部高級研究計劃局（DARPA）、美國國立衛生研究院（NIH）合作，與哈佛大學威斯生物工程研究所(Wyss Institute)的研究人員創立的Emulate公司合作。這枚晶片曾獲倫敦設計博物館 2015年度最佳設計。

(3) 重要應用Organ-on-Chip

• 能幫助測試藥物的作用，希望為食品、化妝品和膳食補充劑的安全性評估提供佐證。

• 此外，研究還將對比人類與動物組織對化合物反應的差異，最終減少藥物測試對動物實驗的依賴，降低藥物開發的成本與時間。

• 一些目前的問題是要如何將複雜的身體器官互動簡化到可以用微流道測試。

• 另外一個難關是如何將測試解果的紀錄自動化。

• 法律合法問題

(3) 重要應用單細胞捕捉

Well Region Magnet Region

單細胞捕捉可以用來進一步觀察細胞的型態，並且改善現有晶片的細胞計數的功能。

單細胞捕捉的效率可以透過外力(通常是磁力)或是捕捉構造的改變來提升

將細胞標記上帶有磁珠的抗原，然後在晶片外面放置一個磁鐵。流速和磁場會影響細胞捕捉的情形；流速越快，捕捉的數目越多；然而超過了一個極限之後細胞就會容易被水流沖走。因此，先用低流速將細胞引入，再逐漸調高流速，可以有效的將細胞捕捉。

30µL/min 50µL/min 70µL/min

(3) 重要應用-單細胞捕捉一、磁力捕捉

圓形三角形

(3) 重要應用-單細胞捕捉

二、構造的改變

三角形的井狀構造因為尖角的關係，依據動量守恆會讓進入的水流變慢，導致細胞有機會在井的構造中沉降

二、構造的改變

(3) 總結

微流道因為屬於層流，可以精準地控制液體的流向和混和。這樣的特色可以用來整合多種功能在單一晶片上，取代目前生化檢測繁複的程序。舉例來說，可以用微構造或磁力進行全血處理或單細胞的捕捉。未來可整合電子元件，進行濃度檢測或細胞計數，符合當下物聯網中邊緣運算的潮流，將資料進行部分的簡化和分析才上傳到雲端上。

Reference

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• https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b04587

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• http://ir.lib.kuas.edu.tw/bitstream/987654321/11275/2/147%E5%BE%AE%E6%B7%B7%E5%90%88%E5%99%A8%E4%B9%8B%E8%A3%BD%E4%BD%9C%E8%88%87%E7%A0%94%E7%A9%B6+(1).pdf

• https://www.elveflow.com/microfluidic-tutorials/microfluidic-reviews-and-tutorials/introduction-to-lab-on-a-chip-2015-review-history-and-future/

• http://blogs.rsc.org/chipsandtips/2010/08/17/degas-pdms-in-two-minutes/