如何使Brain-On-A-Chip吗

由马克LaPedus
今年10月,南佛罗里达大学的德雷珀实验室和(普遍服务基金)披露一项雄心勃勃的计划开发brain-on-a-chip。

这个想法是为了设计一个“微环境”,模仿人类的大脑。研究人员希望研究神经退行性疾病如阿尔茨海默氏症、中风和脑震荡。最终的目标是研究药物和疫苗对大脑的影响。

德雷伯,剥离从麻省理工学院(MIT)和超声塑性加工是利用老鼠的胚胎干细胞,但研究人员计划使用在未来人类细胞。brain-on-a-chip结合几个技术,包括一个名为微流体的新兴领域。

微流体处理的流体控制设备。微型芯片一样设备使用微流体在许多应用程序中使用,如细胞分类和检测、基因分析、喷墨打印头,称为"单位和医疗点诊断工具。与此同时,芯片实验室和相关领域,organ-on-a-chip(即brain-on-a-chip),系统各种功能集成在一个芯片一样的格式。一些,但不是全部,芯片实验室系统使用微流体。

在这些领域,oem和研究人员使用许多相同的工具和流程借鉴半导体和MEMS产业。”工具,用于制造半导体器件也可以应用于organ-on-a-chip,”杰弗里·伯伦斯坦说,杰出的成员在德雷珀实验室技术人员。“原因是你可能需要大量的精密结构这些材料。常见的工具是光刻、腐蚀和其他熟悉的过程在半导体行业。”

德雷伯过程并不使用尖端技术,但它仍然面临着一些重大挑战。“有必要在微流体领域过程技术,将使事情能够在更高的体积和成本更低,”伯伦斯坦说,他也是一个单独的项目的技术总监,正在开发一种human-on-a-chip。“有些广泛的研究目标的了解机关工作和了解疾病过程。”

微流体出现
由基因和蛋白质的识别的进展,微流体设备的销售在2011年达到13亿美元,较2010年增长了19%,根据Yole开发署。Yole还预测,销售fab-level微流体设备将平均每年23%增长到2016年,推动该行业近40亿美元。

微流体第一次出现在1980年代,但直到最近才开始增加。这项技术被大量的设备制造商,追求原始设备制造商和研究实体。Affymetrix, Fluidigm、惠普、IBM、飞利浦、罗氏、三星、西门子、索尼、意法半导体只是几个的名字。

在微流体,产品往往是定制和开发周期很长,但制造成本并不是一个压倒一切的问题。“很多人建立了制造微流体的功能相对便宜,”德雷伯的伯伦斯坦说。

微型微流控设备本身通常是由复杂的泵和外部给定流体管道运输。泵的液体微尺度的能力水平是面临的挑战之一。这需要一个新类的micro-pumps基于主动和被动模式。

“微流体仍然遭受缺乏小型廉价和容易集成微型泵,”亚历山大Govyadinov说,惠普(hewlett - packard)的研发工程师。“一般来说,一个突破发生在微流控系统开发,基本微流体元素,泵、阀门、搅拌机和传感器,需要集成通过低成本制造技术。还有一个缺乏杀手级应用。发生了很多进展,但更需要发展。”

还有其他制造业的挑战。“大多数结构是25或50微米,”唐纳德·约翰逊说,DJ DevCorp首席执行官专业干膜抵抗材料的供应商。“现在,有一个促使更小的尺寸。如果你是看你想要的渠道,让他们到几微米。如果你看表面结构,你可能是把纳米结构表面上。”

最初,许多当前的微流体装置是由硅或玻璃,用腐蚀和其他进程来自半导体行业。“在许多情况下,设备制造使用单一材料,如微流体通道蚀刻成一个玻璃板和密封的玻璃板,产生单一的玻璃微流控芯片,”约翰逊说,在最近的一次演讲活动赞助的微电子封装和测试工程委员会(MEPTEC)。

高成本参与处理玻璃和硅促使许多供应商和研究实验室使用更便宜的材料如聚二甲基硅氧烷和透明聚合物(PDMS)。聚合物不自组装,而是材料是用于创建模式或通道微流控装置。

有几种方法可以使微流控设备。在一个共同的方法中,供应商第一次让“主模式”或“模具”的微流体装置。抗拒的模子,光掩模和一个吸收器模式是首先应用于衬底。然后,“主模型”是图案用激光烧蚀、微铣或光刻。

一旦创建了“主模式”,然后复制设备。有几种方法来复制一个设备,如铸造、注塑、热成型和热压花。更先进的热压花技术称为nanoimprint光刻,从而缩小渠道到纳米级。“你可能会看到比今天印记压花,”约翰逊说。“Nanoimprint主要是研发在这一点上。”

有些国家还使用一个叫做多层软光刻技术。在这个过程中,液体聚合物是倒到模具上。后固化过程中,聚合物是模具揭掉,留下一个印记的地形。弹性体的几层,有不同的模式,可以堆叠和保税。微流体装置通常有两个弹性体层流动和控制功能。

新的和新兴应用
制造工艺和材料的选择取决于应用程序。例如,美国最近被索尼收购的细微的,上个月推出了一次性一次性卡系统,可以快速确定a型血。

在美国陆军的资助下,部分中开发公司的所谓ABORhCard是专为实地部署测试潜在的献血者在严峻的环境中。“我们是第一批微流体公司离开PDMS和玻璃层压制品。最终产品是混合structures-laminates和注塑模具,”凯伦Hedine说,细微的总统。

另一个应用程序是一个细胞检测和分类系统。细胞分类分离细胞根据其属性。微流体装置在这样一个系统中可以使用micro-contact打印完成。“一个众所周知的技术是通过接触印刷,可以生成层表面上,“说拟Fatanat Didar,访问学者在哈佛医学院生物工程研究所。

微流体在新兴organ-on-a-chip领域中也扮演了重要的角色。去年,美国国立卫生研究院(NIH),国防高级研究计划局(DARPA),和美国食品和药物管理局(FDA)宣布计划开发一种芯片技术,筛选药物和疫苗比现有方法更快速和有效的。芯片是基于特定的细胞类型,反映人类生物学。国家卫生研究院将提交多达7000万美元,DARPA将提交量都差不多。

美国国防部高级研究计划局最近签订的一份合同通过麻省理工学院的德雷珀。德雷伯正致力于各种项目如human-on-a-chip brain-on-a-chip liver-on-a-chip, kidney-on-a-chip。

brain-on-a-chip项目本身结合细胞神经科学、组织工程和微流体。芯片聚集培养神经元,星形胶质细胞、小胶质细胞和大脑内皮细胞从老鼠两micro-fabricated层。微流体泵被用来传播营养或疗法在血管通道模拟血液流动。“我们正在试图做的是把最重要的一个器官功能和规模到微尺度。然后,把它们放在一个平台,你可以评估他们,”德雷伯的伯伦斯坦说。

制造过程很简单。“你从一个硅片过程开始。然后转移到聚合物使用某种成型或压花技术,”他说。“更大的挑战是转换从一个非硅基。我们不使用最新、最好的光刻。事实上,大多数的照相平版印刷的工作在我们的实验室是做结构,可能有一个最低10微米的尺寸。”

不过,德雷伯和其他实体需要新的制造突破。“热压花就是一个很好的例子。热压花是一个伟大的过程,但它有点慢,”他说。“材料,把多年来被称为PDMS微流控字段。非常便宜和容易的过程,但它不是特别稳定的化学。”

研究人员正在寻找新的和先进的可降解材料未来的工作。当然,organ-on-a-chip领域技术仍处于起步阶段。“这是仍处于非常初级的阶段,“Anil Achyuta说,首席研究员在德雷伯brain-on-a-chip项目。“我们有可能彻底改变科学家研究药物的影响,疫苗,和专业治疗像大脑干细胞。”