微纳制造十大应用 | 生物芯片：小器件，大前景

2024-02-12

生物芯片：小器件，大前景

生物芯片是小型便携式医疗设备，具有多种微阵列，可同时进行许多生化过程。它们配备了一系列生物传感器，能够筛选不同的生物材料，如酶、蛋白质、DNA、生物分子、抗体等。它们还可以植入体内以跟踪人的健康状况或控制假肢。药物发现、基因表达谱、SNP 基因分型、体外诊断、农业生物技术等领域广泛使用生物芯片。

市场概况

生物芯片行业预计在未来几年将经历利润丰厚的增长。根据 Research Nester 的报告，到 2035 年，全球生物芯片市场规模预计将超过 350 亿美元，2023 年至 2035 年间的复合年增长率 (CAGR) 为 14%。2022 年，生物芯片行业的增长率为 14%，市场规模达 80 亿美元，主要是由世界上免疫缺陷疾病病例的增加推动的。此外，迄今为止已发现超过 430 种不同的原发性免疫缺陷疾病。

生物芯片市场按类型分为 DNA 生物芯片、微流控生物芯片（也称为芯片实验室）和蛋白质芯片；其功能可分为多功能、双功能、酶和清洁芯片；制造技术包括微阵列和微流体。

让我们仔细看看生物芯片的类型、关键应用等。

生物芯片的功能与技术

从功能上来说，有多功能芯片、双功能芯片、酶芯片、清洁芯片等。每个细分市场都有独特的功能和应用。市场主要由多用途芯片主导，占据了 40% 的市场份额。这些芯片应用广泛，并以其多功能性而闻名；它们在检测 DNA、RNA 和蛋白质方面发挥着重要作用，并在研究、药物发现和诊断中得到应用。双功能芯片被设计为同时执行功能，在药物发现和诊断等领域发挥作用，它们可以同时检测多种分析物。酶芯片专门用于检测酶，用于药物发现、诊断和环境监测。清洁芯片旨在为生物芯片分析准备表面。

生物芯片的两种制造技术是微阵列和微流体。微阵列类别目前在市场上占据主导地位，这些生物芯片使用一组 DNA 探针来识别单个样本中的多个基因序列。它们可用于研究和诊断工作。微流体是一种专注于在微观水平上操纵流体的技术，在药物输送和诊断方面具有应用。

生物芯片的类型

DNA生物芯片

位于坚固表面上的一组 DNA 片段称为微阵列或生物芯片。研究人员利用这些来确定大量基因的表达水平。特定基因的皮摩尔数（称为探针）代表每个 DNA 标记。在刚性较高的情况下，它可能是基因材料的一小部分。为了确定靶标中核酸系列的相对量，通常会发生探针杂交，并通过识别荧光团或化学发光标记的靶标来测量。借助生物芯片，人类 DNA 中估计有 80,000 个基因的识别速度要快得多。

微流控生物芯片

微流控生物芯片或“芯片实验室”正在取代传统的生化实验室，正在彻底改变许多应用，包括 DNA 分析、分子生物学技术、蛋白质组学、蛋白质研究和疾病诊断的临床病理学。这些芯片中使用了数千个组件，这使得它们变得更加复杂，但这些组件的物理设计（称为自下而上的全定制计划）需要大量员工。

蛋白质芯片

蛋白质微阵列，也称为蛋白质芯片，是一种用于追踪蛋白质的作用和连接并大规模找出其功能的方法。蛋白质微阵列有助于并行追踪大量蛋白质。该蛋白质芯片由微量滴定板或珠子等支撑表面、硝酸纤维素膜和载玻片组成。

生物芯片的应用

诊断测试：生物芯片可用于快速、准确地诊断癌症等疾病和糖尿病等其他慢性病，使患者能够得到及时治疗。
个性化医疗：在个性化医疗领域，生物芯片的增长和范围不断扩大。对于某些人来说，使用生物芯片可能是一种定制治疗的方法。此外，通过使用生物芯片检查遗传数据，医生也许能够发现特定患者是否会从治疗中受益。到 2022 年，个性化医疗、治疗药物和诊断预计将占据约 40% 的市场份额。
药物发现和开发：医疗领域的两个关键组成部分是临床研究和药物发现。在生物芯片的帮助下，快速、准确地发现新的候选药物和潜在的治疗靶点成为可能。
药物输送：生物芯片可用于药物输送领域，将药物精确给药到身体的特定区域，并在特定时间释放某些药物来治疗不同的疾病。
跟踪和存储健康数据：生物芯片广泛用于跟踪一个人的健康和病史、存储医疗记录等。这些芯片非常精确，比使用微电子和纳米技术的传统方法更准确地测量数据。由于生物芯片能够分析适合处理和存储的大量数据，因此与当前使用的技术相比，生物芯片具有显着的速度和更高的效率。它们确保重要信息和数据的安全，并提供坚不可摧的存储环境。

应对挑战

使用生物芯片可能会对身体产生一些有害影响，使用时应始终小心。由于生物芯片可能含有有毒物质或金属，因此可能会导致过敏反应或更严重的健康问题。此外，生物芯片还能够存储个人身份数据，这可能会带来潜在的安全和隐私问题。

该行业面临着与开发和生产生物芯片相关的高额费用的障碍。这些费用的产生是由于设计和制造的复杂性、制造所需的昂贵的原材料和设备以及生产过程的可扩展性有限等因素造成的。为了应对这些挑战，公司正在积极探索替代制造技术和材料，以降低成本，同时实现可扩展性。例如，一些公司正在深入研究3D 打印和微流体领域，作为简化制造过程并提高成本效益的解决方案。

此外，设计和制造程序缺乏标准化也构成了障碍。缺乏标准化可能会导致性能和结果的变化，从而使比较研究和实验的数据变得困难。为了克服这一障碍，行业协会积极参与制定生物芯片设计和制造的协议和建议。这些努力背后的目标是保证生物芯片的可靠生产，无论制造商或具体应用如何。

生物芯片市场的主要参与者

Opteev Technologies 为免疫缺陷疾病提供产品和服务。他们的知名产品之一是一种新型多重生物芯片，可以轻松识别流感、RSV 和呼吸道病原体。
ACROBiosystems 提供用于升级神经药物发现的产品。该公司最近推出了用于神经科学研究的体内电生理学解决方案和诊断生物芯片。
东丽工业公司推出了一种过敏测试生物芯片，可以帮助从微量血液中测量多种过敏原特异性免疫球蛋白 E 抗体。
Merck KGaA 与 Artios Pharma 合作，为精准癌症候选药物确定多个合成致死靶点。

小结

生物芯片有可能彻底改变医疗保健行业。这些小型设备能够改善诊断、监测健康状况并提供有针对性的治疗。尽管如此，其实施的挑战和道德影响仍需解决。随着我们的发展，为了释放生物芯片的全部潜力，持续的研究和开发至关重要。

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参考文章：

https://www.drugdiscoveryonline.com/doc/biochips-the-small-devices-with-big-promise-0001