国内微流控技术应用最新进展:在IVD产业最早迎来收获期,四家企业完成亿元融资

微流体技术的诞生是研究者追求自动化和效率最大化的结果。

20世纪50年代末,美国诺贝尔物理学奖得主理查德费曼教授预测未来的制造技术将由大变小。1959年,他使用半导体材料使实验机械系统小型化,从而创造了世界上第一个微电子机械系统,成为未来微流体技术的基石。

从微流体的定义来看,真正的微流体技术出现在1990年。瑞士汽巴-盖基公司的曼兹和威德默已经实现了电泳分离,这是微机电系统技术要求在微芯片的毛细管中完成的。微全分析系统(TAS)首次被提出,现在被称为微流控芯片。

Manz和Widmer最初试图提高他们在微流体中的分析能力,但在实际微流体芯片的概念提出后,研究人员很快意识到器件尺寸的减小会带来许多好处。

微流体“微流体”是指实验仪器和设备的小型化(尺寸为几十到几百微米);“流动”是指实验对象属于流体(体积从纳升到阿特尔);“控制”代表小型化设备上流体的控制、操作和处理。它属于一种底层技术,与化学、流体物理、微电子、新材料等学科知识交织在一起。理论上,任何涉及流体的实验都应该在微流体技术中占有一席之地。

微流控芯片是微流控技术的下游应用单元。微生化分析系统是通过微机电系统技术建立在固体芯片表面,从而实现对无机离子、有机物、蛋白质、核酸等特定目标物的快速准确的处理和检测。它将需要在实验室进行的样品处理、生化反应和结果检测的关键步骤集成到一个小芯片中,被业界称为“芯片实验室”。

自从1990年曼兹和威德默在芯片上开发毛细管电泳以来,科学界和工业界已经涉足这一新兴领域,以毛细管电泳为主要应用对象开发各种微流控芯片。两年后,安捷伦、岛津、日立等医疗设备公司完成了相应微流体产品/系统的研发,并将其投放市场。

1994年,美国橡树岭国家实验室的研究员迈克拉姆齐(Mike Ramsey)在曼兹和威德默最初研究的基础上改进了芯片毛细管电泳采样方法,并提高了其性能。同年,世界上第一次微分析系统国际会议在荷兰恩斯赫德举行,微流体芯片进入了公众的视野。次年,世界上第一家专门研究微流控芯片技术的公司卡尺生命科学公司(Caliper Life Sciences)在美国马萨诸塞州成立。

微流体技术的发展历史(动脉网络映射)

自1995年第一家微流体技术公司诞生以来,微流体芯片已经正式开启了商业化和工业化之路。已经相继提出了用于芯片快速模板复制的PDMS和用于芯片的软光刻微型阀/微型泵。安捷伦和加利伯于1999年联合推出了第一台用于微流控芯片的商用仪器,并将其应用于生物分析和临床分析领域。

微流体技术在国外已经发展了十年。直到21世纪初,它才正式进入中国。随着体外诊断(IVD)产业在中国的逐步兴起,微流体技术近年来逐渐成为众所周知的技术。

一百朵鲜花在开发技术中绽放

微流体回路的第一枪是《Lab on a Chip(芯片实验室)》。该杂志成立于2001年,专门用于刊登微流体技术研究的文章。一年后,中国迎来了第一届微流控学术会议,即在北京召开的第一届全国微流控分析系统会议,实现了微流控芯片的大规模集成。

中国对微流体的研究从这里开始。自2002年以来,微流控相关专利产品的申请浪潮在中国逐渐兴起。截至2012年,年申请量达到100件,2016年达到高峰,相关专利产品申请总数超过600件。第二年专利申请的数量略有下降

就微流体制造材料而言,半导体材料硅是微流体芯片制造的优选材料。然而,由于微流控芯片应用场景的不断扩展,硅材料无法承受高压,也无法与光学检测技术兼容,因此被丢弃。

然后是玻璃微流控芯片。玻璃材料可以实现良好的电渗和光学性能,理论上是一种理想的微流控芯片制造材料。然而,玻璃材料不容易光刻和刻蚀,制造工艺复杂、耗时、昂贵,导致其无法大规模推广。

相比之下,高分子材料显示出优势。高分子聚合物加工简单,原料廉价,具有良好的绝缘性、耐高压性、热稳定性、生物相容性、透气性、低弹性模量等。它们可广泛用于毛细管电泳微芯片、生化反应芯片和各种光学检测系统。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为代表的有机聚合物已经成为微流控芯片制造的流行材料。

此外,在制作工艺方面,目前广泛使用的微流控芯片制作工艺包括光刻、蚀刻、成型、热压、LIGA、激光烧蚀和软光刻等。将不描述具体操作。

微流体操纵技术是制造的最后一步。选择不同的力来控制流体意味着微流体芯片将最终显示出很大的差异。目前最常见的微流控芯片是圆盘微流控芯片,由李中清教授于1998年提出(离心微流控光盘酶联免疫吸附技术)。

四种微流体芯片(动脉网络图)

除了圆盘微流体芯片,其他主流微流体芯片包括数字微流体芯片、管道连续流芯片和滴液系统芯片。由于不同的应用场景,控制流体的“力”不同,最终导致形态差异。

数字微流控芯片像纸张一样薄而轻,通常使用电磁场等外力作为流体驱动力。管道连续流芯片广泛应用于四氯化碳电池领域。它可以选择性地识别和捕获血液中的特定细胞,并以高通量筛选它们。它通常由毛细管力驱动。滴液系统芯片由离散微滴控制,适用于数字聚合酶链反应和第二代测序等单细胞分析。此外,还有一种纸基微流体芯片,它使用纸作为基底来代替硅、玻璃和高聚物等材料。驱动力主要取决于纸内纤维的毛细作用力。

专注于体外诊断的发展

十多年了。微流控技术已经从毛细管电泳的最初应用开始探索更多的应用途径。微流控芯片在生物医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生化试剂检测等领域有着广泛的应用。由于集成度高,可以同时并行处理大量样品,具有分析速度快、能耗低、污染低等特点。

在这些众多的应用场景中,微流体与体外诊断有更深的相关性。早在2002年,从第一届微流体学术会议开始,我国每年就向研究微流体技术的相关公司提供数千万元人民币的资金支持,以促进我国微流体技术的发展。2016年7月28日,国务院发布《“十三五”国家科技创新规划》,明确提出“体外诊断产品应突破微流控芯片和单分子检测等关键技术,开发全自动核酸检测系统等主要产品,开发一批用于重大疾病早期诊断和准确治疗的诊断试剂,以及适合基层医疗机构的高精度诊断产品”

随后,科技部发布了《“十三五”生物技术创新专项规划》,明确将微流控芯片纳入新一代生物检测技术,并称之为破坏性技术。

微流体和体外诊断之间的结合已在政策层面得到验证。近90%开发微流控芯片的国内公司将其应用于体外诊断。

除了受政策驱动,

目前,体外诊断领域按市场份额从大到小可分为免疫诊断、生化诊断、分子诊断、POCT、血液诊断、微生物诊断等。根据微流控芯片的特点,如微型化、高效率、低成本等。POCT工业在IVD细分电路中占有最大比重。POCT诊断设备对微流体芯片的需求也在增加。POCT将成为微流体工业发展的最大推动力。

根据Yole分析师的最新统计,2019年全球微流体产品市场将达到99.8亿美元,微流体器件市场将达到34.8亿美元,微流体产品市场的复合年增长率将达到11.7%,2019年至2024年微流体产品市场的复合年增长率将达到10.8%。预计2024年微流体产品市场将达到173.8亿美元,微流体器件市场将达到58.1亿美元。

面对如此大的市场,资本绝对不会错过。动脉网络调查了近50家参与微流体技术研发的国内企业,并统计了自2015年以来获得的融资交易和轮次。(注:根据26家企业有效信息的统计结果,统计中不包括未披露的融资信息。由于大多数公司都没有披露融资额,所以近年来融资额没有计算在内。)

从2016年开始,每年平均有超过10笔融资交易被投资到涉及微流体技术的相关企业,主要是在第一轮(包括前一轮和第二轮)附近。2019年是微流控技术收获的一年,涉及微流控技术的四家体外诊断企业完成了约1亿元的融资,分别是容止生物、京珠医药、星源生物和蓝雨生物。

其中,容止生物的“微流控核酸定量分析平台全丛”(QuanPLEX)是一个基于荧光定量聚合酶链反应技术的微流控基因检测平台。开发了三种检测应用,即全丛食源性病原体快速鉴定系统、全丛禽流感病毒检测系统和全丛呼吸道病原体检测系统。

Jing准医学主要侧重于IVD领域的分子诊断。构建了实时荧光定量聚合酶链反应、第一代桑格测序、第二代高通量NGS测序、毛细管电泳片段分析、荧光原位杂交和微流控芯片六大高分子诊断技术平台。它还与中国科学院上海微系统与信息技术研究所签署了微流控芯片技术合作协议。

new cell biology专注于开发新一代分子诊断工具 mass single cell sequencing,并于今年年初推出首个mass single cell sequence product“new cell GEXSCOPE”。大规模单细胞核糖核酸测序产品”,该产品包括自主开发的微流控芯片、所有匹配试剂的整体解决方案和生物信息分析软件;

蓝雨生物学的亮点在于5分钟的主动微流控技术平台,它可以在5分钟内给出临床全血样品的准确检测结果。目前,已经建立了免疫快速诊断平台、手持式电化学凝血平台和核酸全自动快速诊断平台等研发平台。

不仅如此,2019年微流体技术领域还有另一个重大事件,个微生物将被列入新的第三版。微点生物学(Microdot Biology)是一家专业从事医学领域体外实时检测(POCT)设备及配套生物诊断检测试剂卡的研发、制造和销售的企业。公司在涉及微流控生物检测试剂卡的各个技术领域拥有13项发明专利,主要包括两大技术平台mlAbs和qLabs。mLabs用于检测心脏标志物和感染标志物,qLabs用于检测四种类型的项目,即PT/INR、APTT、PT/APTT和PT/APTT/FIB/TT,以实时监测服药患者的凝血状态。

国内微流控相关企业库存

动脉网已对目前库存的国内相关企业进行了梳理

位于微流体行业上游的企业主要根据中游企业的应用开发需求加工生产芯片。此类企业的市场潜力取决于中游企业的市场规模。此外,国内大多数企业自主开发核心微流体技术,没有发现上游企业要签约,这在一定程度上也导致了上游市场的局限性。然而,随着国内生物技术的进一步发展,微流体的应用前景将会继续扩大。未来随着对微流控芯片批量生产需求的增加,先占据上游的微流控芯片研发企业将占据第一优势。

除了体外诊断的重点领域外,还有几家公司使用微流体技术进行单细胞水平的操作,如辉县医药、美京医药和瑞思人寿都使用微流体技术操作(捕获)外周循环肿瘤细胞(CTC)。

辉县医药设计了一种具有10,000个通道的串并联多层微流控芯片,通过在单个芯片中引入10,000个微通道,可以一次捕获多种靶细胞或病原体。此外,微流控多通道的设计可以将分子检测单元相互隔离,反应不会相互干扰。因此,可以根据需要并行检测同一样品的多个项目。它具有高通量、快速检测的特点,能快速富集稀有细胞或快速检测细菌、真菌、病毒、寄生虫等病原体。

美京医疗自主研发的新一代CellRichTM自动循环肿瘤细胞捕获装置已于2018年2月获得CFDA批准。它已成为唯一一种基于免疫磁性筛选微流控芯片专利技术的自动双模循环肿瘤细胞筛选装置,并已通过国家认证,可实现对人体外周血中肿瘤细胞(CTC)的准确捕获。

Ruisi Life开发了基于微流控生物芯片核心技术的Cellab ThomasI循环肿瘤细胞预处理工作站和Celligo ST10循环肿瘤细胞分离富集试剂盒。该产品集成度高,无需红细胞裂解等预处理过程,可一步完成高效无损分离富集四氯化碳。富集效率可达95%以上,白细胞去除率可达99.9%,红细胞去除率接近100%。

CTC是一种在肿瘤发展过程中脱离基底膜并通过组织基质进入血液的细胞。通过检测血液中的四氯化碳破裂获得的脱氧核糖核酸(ctDNA)可用于诊断和检测患者体内的肿瘤(液体活组织检查)。

外周血中四氯化碳的数量很少。一般来说,1毫升血液中只有大约1到10个四氯化碳。测序只能在四氯化碳捕获完成后实现。微流体技术的参与为四氯化碳细胞捕获带来了新的可能性。四氯化碳和白细胞变形特征有很大的不同。微流控芯片可以允许大于芯片穿孔通道的白细胞通过,而CTC不能,因为它们的变形特性非常小。

除了反恐委员会的抓捕公司之外,还有柏慧康生,一家计算反恐委员会的公司。公司开发了一种微流控多色荧光细胞计数器,可以将磁性细胞分选技术和免疫细胞化学染色技术相结合,检测结肠癌外周血循环中的肿瘤细胞。通过微流控分析计数系统对肿瘤细胞进行分析计数,实现细胞计数和形态学分析。

另一家公司专门从事微流体计数细胞计数,卓微生物。利用微流体技术,卓微生物可以将细胞聚焦层控制在非常薄的几微米或十微米以上,并配合库尔特阻抗检测实现样品的全部绝对计数。目前,卓微生物已推出filplus高精度流量图像计数器、CL流量coulter、FIL PLUS流量图像计数器、CC PLUS palm coulter计数器等。

最后,值得一提的是即时技术。他们利用微流控芯片技术开发实时连续血糖监测设备,形成完整的闭环糖尿病管理系统。通过对大数据样本深度学习算法的训练,实现了产品和人工胰腺的人工智能。

微流体的方向和难点

I

万成基因创始人石伟阳回忆起他选择应用微流体技术的时候说:“万成基因希望实现单细胞的高通量分析,所以我们研究了国际主流技术方法,国际主流方法是应用微流体技术。”

目前高通量单细胞测序技术的主要瓶颈是技术单一,只能应用于转录组等。然而,液滴微流控技术发展起来的基于多基因组的单细胞测序技术最终可以实现一次同时测定单个细胞中的多基因组信息。值得一提的是,用于微滴系统的微流体芯片最常用于单细胞分析。

同时,微流控技术可以将只能在实验室完成的检测实验转移到一个小芯片上,这不仅节约了耗材和时间的成本,更重要的是,可以将各种检测技术集成为一体,提高检测效率。随着微流控芯片制造技术的不断成熟和各种新材料的不断发展,微流控芯片的功能将更加完整和集成。

然而,micro-rock的创始人张岩也直言不讳地说:“没有免费的午餐,也没有给予任何好处。他说,虽然微流体技术带来了便利,但它也将付出相应的“代价”。这里的价格指的是微流体技术的难点。

1。生产工艺复杂,收率不高。

微流控“微”背后需要的是“精密加工”,它涉及医学、生物学、化学和工程等许多学科的知识和技能。这是一个集成产品。样品微量测量、顺序混合反应、分离分析和检测等功能。是由微流体芯片集成而成的,这需要合理设计阀门、液体通道、反应罐和其他单元。复杂的生产过程背后是对技术的高需求。如果没有扎实的跨学科知识和微流体专业技术的支持,高技术门槛的研发也预示着产品产量的下降。

二。成本控制和大规模生产的困难”如果不考虑生产成本,微流控芯片可以实现预处理所需的几乎所有过程。“然而,陈丽说,一项技术必须经过工业化才能着陆。工业化背后是一个真正的问题:如何降低生产成本?”无论谁能制造廉价和大规模生产的微流控芯片,他都更有资格获得市场准入。“由于微流体技术的技术门槛高、加工工艺复杂,加上近年来实体经济的低迷,不利于高科技产品的研发,降低了微流体芯片的生产成本,这已成为各企业的迫切需求。”从宏观上讲,我们可以通过选择廉价的“力”和材料来降低生产成本,并且芯片设计不应该太复杂。”张岩说道离心力”是一种不需要复杂设备和芯片结构的廉价力。离心力微流控芯片的典型代表是圆盘微流控芯片。

除了选择合适的力和材料,在批量生产微流体时还应考虑制造过程。”当你大规模生产微流控芯片时,你会意识到原来的光刻技术不能满足大规模生产的要求。辉县医药创始人颜静(Yan Jing)表示,“目前,该行业已经开始使用微注射成型大规模生产微流控芯片,从而降低生产成本。“

体外诊断是微流体技术的第一阶段,但绝不是最后阶段。除了医学领域,微流体技术目前也广泛应用于POCT的农业领域,如迅雷技术(Thunder Technology)应用微流体芯片开发用于农业残留物快速检测的检测仪器等。微流体技术首次登陆IVD工业。除了技术和IVD工业的需要高度一致之外,它还留下了IVD本身的发展。颜静也证实了这一观点:“微流体技术可以应用于许多领域。从科学研究的角度来看,这项技术的应用非常广泛。然而,美国第一次工业化的原因之一