生命科学中纳米压印技术的应用及其前景

微纳制造技术的应用极其广泛。就纳米压印技术而言，它可以用来制作纳米光学器件如亚波长纳米光栅、光子晶体、半导体光源及显示屏的增光膜等。它也可用来制造超高密度磁碟、场效应晶体管、单电子器件等。纳米压印技术在生命科学中的应用主要包括基因电泳芯片和仿真细胞外基质的制作等。

组织工程和再生医学的核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体，由此形成具有生命力的活体组织，对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。例如可用少量的组织细胞通过体外扩增，进行大块组织缺损的修复。由于可在按组织器官的缺损情况进行任意塑形，有望达到形态的完美修复。已经证明，体外细胞生长的形态受基底材料和基底材料表面纳米结构的影响。

我们注意到，现有的微纳制造工艺主要适用于合成聚合物材料如感光乳胶薄层的图案化，而理想的细胞外基质材料应该是可降解的自然生物材料如胶原蛋白（Collagen）等。传统的微纳制造方法显然对这类自然生物材料的图案化不适用。根据对生物兼容性和持续发展的考虑，我们提出了一个天然生物材料图化的新方法：首先通过负压干燥的方法将PDMS的纳米图案复制在明胶（Gelatin）薄层上，然后通过化学处理使明胶层的纳米结构固定。由此得到的自然生物材料的纳米图案可以用于细胞培养及细胞的三维支架即细胞外基质介观生物材料的仿真。

另一个例子是外周血中稀有细胞（如循环肿瘤细胞）的高效捕获。肿瘤细胞应进入血液循环就有可能发生转移，但因其数量非常稀少（每毫升病人样品或每千万个血细胞中不到一个循环肿瘤细胞），故检测具有很大的挑战性。目前所用的捕获技术有两种：一是根据循环肿瘤细胞的特定标志物来修饰磁颗粒或固体的表面，当循环肿瘤细胞与这些材料的表面发生免疫作用时就可被捕获，其他细胞则可被清洗掉。 二是根据循环肿瘤细胞与血细胞的大小或形变能力的不同来设计有一定孔径的过滤膜，当样品通过过滤膜时，循环肿瘤细胞可被捕获而血细胞则可通过。因为没有免疫作用，细胞不会受损，所捕获的循环肿瘤细胞可用来进行培养、观察及药理实验等，这种过滤膜技术被十分看好。但问题是用这种方法所截留的不仅仅是循环肿瘤细胞，且还有相当数量的血细胞，所以选择性不是太好。最近，我们用微纳制造的方法，设计并制造了一种特殊的过滤膜，使其对循环肿瘤细胞捕获的选择性大大地提高，有望在短期内进入临床试验和大规模应用。

微流控技术可用于各种生化分析和相关的物理和化学实验。微流控特别适用于细胞分析、基因测序、核糖核酸的提取和纯化、蛋白质结晶等。这一技术还提供了一种单细胞和分子操控的有效方法。无论在动物或植物体内，微流体都在无时无刻地维持或参与着整个的生命过程。可以想象，对生物体内微流体运动的介观仿真将推动生物医疗技术的深入发展。(www.xing528.com)

从生物工程的角度看，微流控技术的优势一目了然。微流控芯片体积小、可集成度高、低成本和大批量生产。我们可以在同一个芯片上集成不同功能的单元，如样品提取、分子筛选、分离和分析等，从而一次性完成生物实验的全过程。也可以在同一芯片上平行完成需要重复的分析（如基因解码、聚合酶链扩增反应、蛋白质结晶等）并通过对实验参数的系统调控达到高通筛选的目的。

显然，阵列式集成的微流细胞芯片也有可能大规模地应用于干细胞分化因子的调控、生物毒性的检测及药物高通筛选等方面的试验。总之，芯片上的多通道、多功能和多系统的集成（样品处理、PCR、电泳分离、片上监测自动化与计算机化）将成为生物芯片技术总的发展趋势之一。但目前许多功能性单元需要进一步研究和优化。今后可望在高速基因测序、基因工程、蛋白质学和细胞分析等众多领域得到大规模的发展和应用。

微流控细胞分析仍然是当前的研究热点之一。我们注意到，在此类芯片中细胞培养大多是灌注的，即细胞在微流通道或与微流通道紧密相邻的微池中。由于细胞表面剪切力的限制，这种方法不利于流体的动态调节。从仿真的角度看，细胞在体内处于毛细血管之间的狭小空间中，其营养物质及信息因子的输运最终是通过扩散来完成的。因此，我们要设计类似于毛细血管的微流扩散网络以进行细胞长期培养和相应的组织结构形成。

微流控技术与纳米压印技术用很好的兼容性。将其结合，我们成功地实现了基因的快速分离。首先将不同尺寸和不同间距的纳米点阵及微流通道分别用纳米压印和光刻的技术复制到基片上，刻蚀后再将含有微流通道结构的PDMS膜与之封装。在电场作用下样品的中的基因片段会通过各个纳米点阵。由于大小不同的基因片段受到纳米列阵的阻碍是不同的，样品中的基因片段可以被很快地分离开来。而且纳米压印技术的低成本，该种纳米器件应该有一定的商业化前景。