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文 | 半導體産業縱橫
本月捷克研究人員開發出一種生物晶片，可以用于檢測導緻COVID-19的SARS-CoV-2病毒。該項課題的研究小組組長表示“在這一研究結果出現之前，該小組一直緻力于開放用于檢測其他病原體的生物晶片，如引起肝炎或大腸杆菌的病原體。”新冠疫情的全球大流行，讓他們想嘗試用生物晶片去檢測SARS-CoV-2病毒。
這款晶片可以特異性捕獲COVID病毒，通過與病毒RNA中的N蛋白結合形成複合物，進而釋放出信号。目前病毒檢測使用的PCR檢測的步驟主要為：1.準備反應體系，包括擴增緩沖液、dNTP混合物，引物，模版DNA，Taq DNA聚合酶等。2.根據擴增對象制備模版。3.在緩沖液中加入引物經過DNA變形、退火、延伸後樣本擴增。4.進行檢測，方法有電泳法、熒光探針等。PCR的流程決定這種方法需要一定的檢測的時長；同時為了避免出現污染，操作失誤，PCR檢測還需要在潔淨的環節由專業人士進行操作。而如果通過生物晶片進行檢測，會加快檢測結果的出現，同時降低檢測門檻。
随着生物技術與內建電路技術的共同發展，生物晶片市場正在不斷擴大，除了檢測新冠病毒，生物晶片在醫療行業已經有了廣泛的應用。
在晶片上的千億實驗室
生物晶片是從MEMS技術發展而來，最初是在矽、玻璃等材質的基片上加工出微米至亞毫米級的微結構單元，然後配合相關器械完成生物實驗的相關需求如提取、擴增、分離或細胞的培養、處理等。早期的微流控晶片被認為是一種分析化學平台，也是以曾被稱為“微型全分析系統”。美國的Affymetrix公司在1992年開發了世界上最早的生物晶片。
生物晶片也被稱作“微控流晶片”，它是一種由數百萬個生物傳感器組成的“晶片實驗室”（lab-on-chip，LOC），其工作原理相當于把一間實驗室的各種器械同時縮小，然後把需要整個實驗室完成的一套流程集中到小小的晶片上。
根據賽迪資料，2019年全球生物晶片市場規模達到970.2億元，調研機構RESEARCH AND MARKETS預計生物晶片市場在2020-2025年将以15%的CAGR增長，到2025年将有望接近2000億。
2015-2025全球生物晶片市場規模（億元） 來源：賽迪顧問
應用廣泛的生物晶片
基于不同關鍵技術生物晶片主要有三種類型，即微流控分析晶片、微流控反應晶片、微流控細胞/器官操控晶片。
微流控分析晶片的關鍵技術為新一代床邊診斷技術（point of care test，POCT），開頭提到的新冠病毒檢測就是其中的一種。POCT的應用可以大幅度提高檢測、診斷、治療的效率，目前比較成熟的技術包括免疫驗孕試紙盒和便攜式血糖儀。
微流控液滴晶片則主要被藥物開發商、研究機構等機構應用于高通量藥物篩選和材料篩選中。微流控晶片液滴技術的本質是利用流動剪切力或表面張力的改變，将兩種互不相溶流體中的離散相流體分割，分離成納更新及以下體積的微液滴，或者驅動微液滴運動。
微流控細胞/器官操控晶片也被稱作微流控晶片仿生實驗室，通過建構微米量級的操作單元并在其中進行細胞的培養分析裂解等過程，再将這些單元延伸至組織和器官。這種晶片可以模拟一個活體的行為并且研究活體中整體與局部的種種關系，可以部分替代實驗動物。
通過晶片對分子進行高通量、大規模平行測試，藥物開發商正在使用生物晶片進行藥物研發。例如，為了讓丙型肝炎病毒增殖其中一種蛋白質，需要以特定方式結合RNA。生物晶片篩選出1200個小分子，檢測它們中是否有任何一個抑制了蛋白質-RNA互相作用。最終實驗者發現了14個，而這些發現就可以用來開發治療丙型肝炎藥物。通過這種工作方式，生物晶片來發現治療更多疾病，甚至包括癌症的藥物。
同時生物晶片也可用作非侵入性産前測試，以篩查某些嚴重的染色體異常。例如測量懷孕期間母親血液中存在的胎兒DNA，以檢測21三體（唐氏綜合征）、18三體（愛德華綜合征）和13三體（帕陶綜合征）。
被國外企業高度壟斷的生物晶片市場
除了應用廣泛，研究所學生物晶片的重要性在于其在醫療領域的發展意義，是真正可以造福人類的産品，這也是生物晶片市場迅速成長的關鍵原因。
然而生物晶片的特點導緻發展生物晶片研發、生産的門檻都很高。從研發層面來看，生物晶片的研究需要基于多個學科的知識，如生物、化學、醫學、實體、電子、材料、機械等。而在生産層面上，生物晶片的材料選型相對于普通電子晶片還要考慮材料的生化特性；合理化設計閥、液路、反應池等微單元材料進而實作量取、順序混合反應等功能都是生産中會面對問題。
從目前全球生物晶片相關專利數量來看，美國擁有最多的相關專利，屬于絕對領先。中國生物晶片目前還主要應用于生物資訊等科研領域，市場佔有率僅占全球市場的5%。
國外市場生物晶片主要市場是面向藥廠、研究機構，産品主要為藥物篩選、基因組合等。例如美國賽默飛世爾科技公司（Thremo Fisher），在2016年收購了Affymetrix，以開發用于細胞轉染、神經生物學和幹細胞研究的試劑。Affymetrix正是開發出第一片生物晶片的公司。
對于人口衆多的我國，利用生物晶片進行診斷則有着更大的潛力。依托清華大學和生物晶片北京國家工程研究中心的博奧晶典也在遺傳病診斷、産前篩查與診斷、惡性良性腫瘤診斷等領域取得了一定成果；同時延伸出了健康管理、司法鑒定、農林畜牧和食品安全領域的産品。今年10月杭州領摯科技完成Pre-A輪投資，領摯的産品主要為TFT半導體生物晶片，是生物領域多元化的耗材類晶片。今年2月蘇州含光維納科技有限公司則完成了B輪融資，其産品主要用于POCT、基因測序等領域。國内廠家晶能生物、中鼎玉铉也可以提供生物晶片産品。
2016年“十三五”相關檔案中提到，體外診斷産品要突破生物晶片；同時加速發展體外診斷儀器、裝置、試劑等新産品，推動生物晶片的發展，支撐惡性良性腫瘤、遺傳疾病及罕見病等體外快速準确診斷篩查。可以說，生物晶片已經成為重點發展的學科之一。
雖然我們看到，無論是國内還是國外的生物晶片市場上，主要玩家都不是耳熟能詳的晶片公司，更多的是醫療相關公司。但多家晶片巨頭已經圍繞生物晶片展開了布局，如英特爾、摩托羅拉、IBM、惠普等。生物晶片，是一個潛力無限的市場，更是一項為國為民的偉大事業。