芯片實驗室/體外診斷：通過材料選擇促進微流體鍵合

圖 1. 具有各向同性蝕刻通道的 >0.3 mm 玻璃晶片用室溫 UV 粘合劑粘合到 1 mm 厚的玻璃晶片上；玻璃：玻璃鍵保持封裝的生物分子/細胞的生物活性。

將小于一滴血的流動細胞穿梭到功能區是強大的體外診斷（IVD）系統開發、自動化和小型化的基礎。這些系統反過來支持廣泛的應用和設備，從數字生物學到下一代基因組測序，芯片上的器官，基于細胞的高通量分析，以及用于藥物發現和生物分析的高密度多功能芯片。

降低樣本量和試劑消耗、提高分析速度和降低成本的目標是將IVD設備制造推向一個新的極限，同時提高設備的復雜性和功能集成性。其尺寸和復雜性提出了重大挑戰，涂層等制造后的修改也會影響生產過程和成本。

IVD設備中使用的材料不僅定義了應用程序的圖案和處理，還定義了設備的制造、性能、功能和成本。由于激光加工、光刻、蝕刻自動化、晶圓鍵、功能、室溫紫外粘合劑鍵等工藝的進步，玻璃和玻璃混合材料通常是最好的性能和最昂貴的耗材設備。

特征尺寸和設計復雜性

隨著尺寸的減小，曾經被認為是缺陷的表面異常可以發揮作用，晶圓加工技術可以產生與生物聚合物和細胞結構尺寸相同的特征。反應離子蝕刻（RIE）在玻璃中創建了細胞和生物分子對接站，增加的表面粗糙度可以與分子識別元件（如適當的）耦合，以提高選擇性。納米流體將體積限制在亞微米通道中，以利用小規模現象。

雖然軟光刻聚二甲基硅氧烷（PDMS）在學術研究中很常見，但玻璃的機械、化學和光學特性比這些材料有許多優點。例如，壁剛度和穩定性有助于納米或微通道承受粘合或密封，而粘合玻璃承受流動壓力的能力是關鍵。許多應用程序受益于玻璃的熱性能、化學穩定性和可忽略的自發熒光。最后，玻璃表面可以通過硅烷化反應無限調整，以實現多種特性。

雖然硅通常是限制單個電池或創建特定流動部分所需的高縱橫比特性的最佳材料，但當玻璃的其他特性（如光學平滑度、介電常數、金屬層處理步驟要求、粘接方法等）時，玻璃通常可用作基板。半導體行業的加工技術可以創建高縱橫比的微米和納米通道，激光微加工和化學蝕刻的結合證明了玻璃的縱橫比高達20:1。大量描述玻璃表面改性的工作表明，玻璃作為基材，具有迄今為止化學可調性最強的表面。

生物應用有時需要集成光學設備、光學窗口、電極、電子設備和3D結構（如屏障或孔隙）。將超快激光制造、化學蝕刻等減料技術與化學鍍、CVD等增材方法相結合，可在玻璃和熔融石英中制造復雜的多功能芯片（包括聚合物表面的芯片），每種材料都有利于特定的應用和設計參數。由于混合材料設備可以克服使用活細胞的挑戰，最好的解決方案通常是利用每種材料的特性。

基于芯片的IVD細胞培養系統的材料、配置和制造后處理的選擇取決于要觀察的細胞、培養基和現象。即使是通道設計也會影響細胞的活力，因為有些細胞比其他細胞更容易受到剪切應力的影響。PDMS經常被使用，因為它的滲透性允許芯片上的細胞和與芯片周圍環境的氣體交換。然而，當氣體和離子意外遷移時，這種特性會損害細胞的健康。類似地，在設備的一個區域定位細胞的圖案有很多優點，但細胞最終可能會受到影響，因為表面會影響細胞的形狀和生理。

神經元細胞通常用電極測量，這使得玻璃或硅上電極的標準化圖案成為選擇任何材料的原因。透明氧化鎵錫（ITO）電極的能力使平衡傾斜到玻璃上，因為它們允許用顯微鏡監測細胞，甚至在電極表面。

玻璃通常是光學方法的最佳材料，可以在室溫下使用紫外線粘合劑，這在業內是眾所周知的，具有經驗證的生物毒性和生物相容性數據（見圖1）。

細胞粘附和分選

將細胞限制在特定區域的方法包括表面的微米和納米圖案，以及使用TMMF（一種光結構材料）來創建所謂的2.5D結構的中間層來捕獲和培養細胞。另一種策略是使用自組裝的單分子層（SAM）來定義表面功能，以實現粘附、潤滑、潤濕或蛋白質的物理吸附。基于硫醇的SAMS與黃金發生反應，黃金是一種容易在玻璃上形成圖案的金屬。硅烷是另一種著名的玻璃反應化學工具，可實現IVD的重要表面修飾，包括增加細胞/生物分子粘附或液滴/數字微流體的疏水性；增加親水性，防止生物材料吸附；并為離子締合或其他目的添加表面電荷。

最近的研究表明，細胞幾何形狀的操作，如圓形或方形圖案，會影響關鍵的細胞過程。深度反應離子蝕刻(DRIE)可以將硅、石英或玻璃晶片圖案化，用于硅微柱陣列(見圖2)。

圖 2. 玻璃中的納米柱增加了相互作用的表面積。

同樣，光成像粘合劑(PBA)可以利用標準MEMS工藝直接實現玻璃上經濟復雜的流體通道系統。

廣泛應用于異質細胞群的分選。在三類細胞分選（基于熒光標記、珠子和無標記）中有多種選擇機制：光力、電、聲泳、磁、機械或被動。

根據目標的熒光效率、波長和檢測限制（LOD），即使需要其他材料（如電極），玻璃或熔融石英通常表現最好，因為它們的自發熒光很低。無標記方法不一定不受驅動玻璃選擇的光學透明度和低自發熒光要求。如果使用固有熒光、光學或光電鑷子，玻璃或玻璃混合物通常是最好的。

應用基因組學

與其他生物測量一樣，用于高通量和小體積核酸分析的最佳材料在很大程度上取決于檢測機制和材料的熱特性。玻璃，玻璃是理想的，作為基材，它有其他吸引力：光學玻璃或熔融石英不會強烈抑制聚合酶鏈反應（PCR）酶，也不會排氣或吸收可能被污染的水或離子酶反應。

實現1000美元基因組目標的一項重大創新是認識到樣本制備的作用，包括使用數字PCR（DPCR）擴展和定量DNA圖書館，這是將樣本分為單分子分區的一種方法。如此小的分區使得定量以小百分比的順序成為可能。

產生數千到數百萬液滴的關鍵能力主要取決于數字微流控芯片的設計和制造（見圖3）。由此產生的準確性和選擇性有助于了解癌癥和其他疾病中復雜的表達方式，以及液體活檢等治療和診斷方法。

圖 3. 壓力驅動液滴微流體組件的生產取決于玻璃的優異表面特性：低表面粗糙度、化學惰性和高精度制造公差，以確保可再現的液滴體積。

玻璃在制造壓力驅動液滴微流體元件方面發揮著重要作用，因為它具有表面粗糙度低、化學慣性高、精度制造公差高的特點。此外，由于著名的表面化學，在親水玻璃上形成疏水區相對容易，以產生均勻的液滴體積，并幫助液滴分離。

數字微流體利用電極陣列和電潤濕產生液滴，并控制其大小和運動。因此，玻璃是最好的材料，因為所需的高密度ITO電極很容易在玻璃上形成圖案（見圖4）。

圖 4. 高密度氧化銦錫 (ITO) 電極很容易在玻璃上形成圖案。

許多下一代測序(NGS)技術使用了具有玻璃光學特性的光學方法。實現1000美元基因組的一項關鍵技術是建立一個玻璃表面，以創建一個圖案流動池。圖案可以顯著降低圖像采集時間。這一成功的重要因素是亞微米晶圓級圖案的準確性，使微流控芯片中的測序空間極其密集地包裝，達到傳統熒光成像系統的光學分辨率極限。

雖然無標記分析似乎消除了對玻璃光學特性的需求，但玻璃仍有一些優點。對于硅和玻璃，通道蝕刻深度的亞微米控制可以提高阻抗檢測的信噪比。ITO電極可以很容易地集成，從而集成數字微流體樣品的制備，有助于減少珍貴樣品和昂貴的試劑消耗。

無論應用程序是什么，IVD開發人員都必須平衡生物學和設備工程的要求。在任何情況下，選擇循環池材料的基本步驟都會產生很大的影響。