微机电与细胞生物学研究所:展望与应用

我是 Albert Falk。我是西雅图华盛顿大学的教授，我研究生物群落的广泛领域，它代表生物医学微机电系统。我们研究微流体，专注于细胞生物学中的应用，主要是神经科学。

实验室的重点之一是尝试克服传统细胞培养技术的局限性。如果你观察一下细胞生物学家在培养皿中、体外、培养皿中研究细胞的方式，你会立即注意到细胞沐浴在均匀的细胞培养基中，而且它们也位于均匀的表面上。然而，在体内，细胞并不在均匀的表面上。

它们没有浸泡在均质介质中。它们实际上暴露在各种随空间和时间变化的信号中，通常是梯度的形式，并且它们被凝胶型基质包围。当您在培养皿中研究细胞时，也存在一些实际限制，您需要一个培养箱，这是一种大型且昂贵的设备。

通常，生物学家想要研究一系列不同的情况。他们想研究 a 中的细胞，比如说在细胞培养物 A 和细胞培养物 B 中，细胞对这些化合物的反应存在很大差异。所以通常生物学家把细胞放在不同的培养皿上，他们，也许他们一式三份，然后他们研究一系列的条件，所以他们最终会使用大量的细胞培养物、培养基、大量的用品、大量的培养皿，这需要很大的空间。

所以我们试图将其小型化，这是它的一个方面。此外，更换此培养基、放置细胞和更换细胞培养基，这需要大量的移液工作。也就是说，就它所涉及的时间和人员而言，以及需要放入和移出培养皿的液体量，这是非常昂贵的。

另一个限制是，为了用单元格填充所有表面，您必须使用大量的单元格，这通常需要牺牲大量动物。而且，它可能只是因为 nu 的绝对数字而很昂贵。所以底线是传统技术最终会花费很多钱。

它们非常昂贵，无论是在使用它实施任何实验所需的时间和人员方面，还是在实践中的产量方面，生物学家最终会在表面数量上妥协，或者正在研究的条件。因此，它处理的数据在统计上非常薄弱。按照工程标准，典型生物学研究的结论是非常定性的，因此，最终所有这些研究都无法扩展。

所以，随着基因组区域时代的到来，这正在成为一个大问题，人们想要研究大量的条件、大量的变量，并寻找新的变量、新的细胞现象，而这些现象只能通过研究大量的细胞和条件来揭示。因此，微制造技术为我们提供了几个优势，我们出于不同的原因加以利用。首先，从基本角度来看，有优势，就像在微电子中晶体管工作最好的方式一样，工作得更好，因为它们更小。

在这里，我们也有，我们构建了设备，这些设备可以访问按被研究对象的顺序排列的秤，这些秤是细胞。微制造技术可以克服这些限制，不是以一种方式，而是一次以多种方式。它允许您探测大量单个细胞。

所以这立即给你提供了非常定量的结论。此外，它还允许您进行廉价的实验。此外，这些系统的制造成本非常低，因为您可以以一个设备的价格制造许多设备。

此外，它们的运营成本很低，因为它们很容易，而且非常适合自动化。然后，这些低成本制造和低运营成本的优势导致了非常成功的共产主义、商业、商业实施。最后，这些系统非常、非常适合定量设计。

这非常重要，因为通过这种方式，我们可以模拟微流体设备的行为或表面的制造，并确切地知道它是如何工作的。然后我们回过头来，我们，这是通过建模完成的。我们还没有去实验室。

然后，当所有理论都有效后，我们去实验室实施它，我们节省了大量时间。因此，我们实验室使用的主要技术之一称为软光刻技术，它是家族技术，是哈佛大学 George Whiteside 自 90 年代初以来开发的姊妹技术。它们基于一种材料的复制和成型，一种称为 Polymethyl Sloane 或 PDMS 的透明弹性体，生物学家知道它的品牌名称是 S Guard 180 4，由康宁制造。

它本质上是透明的橡胶，是一种设备。你可以弯曲它，正如我所说，它可以被模制，它可以从一个相同的模具中重复出现，制造成本高昂的是模具。而且，但是，材料，我们按桶购买。

你知道的，它不是很贵。而且它的生物相容性也很强。你甚至可以在上面播种细胞。

它用于植入物。另一个很大的优势是它是透明的，这对于生物显微镜来说非常非常重要，如您所知，生物显微镜是生物研究中非常重要的分析方法。正如您在实验室的视频中看到的那样，成型过程非常非常简单。

它只涉及混合两种成分。你知道，任何人都可以做到这一点。这就像烹饪并将其放入烤箱一样。

即使是我四岁的儿子，他也来到实验室，真正制造了橡胶。所以这真的很简单。微流体学是研究流体行为的学科。

如您所知，在小通道中，您不能将石头扔入水下。那是因为你、这些力、石头和水之间的摩擦力，与你施加在石头上的力相比，是非常大的。在小通道中的小 ch 中发生一点类似的事情，其中 the， the， the， 情况正好相反。

水是移动的物体，它周围的墙壁是，IM 对它们施加了很多摩擦力，因为在微通道中，墙壁具有非常强的表面体积比，因此会产生很大的摩擦力。因此，与壁引起的粘性力和摩擦力相比，这些惯性力非常小。因此，由于粘性力占主导地位，湍流永远不会发生在微通道中，因此我们拥有一种称为层流的流动状态，因为流体以片状流入。

这里显示了一个示例，其中不同的流无法混合，因为它们并排流动。他们，没有湍流会加速混合，就像你驾驶一杯咖啡时发生的那样。现在，因为粘性力占主导地位，而且在微通道中很难有湍流，这意味着合并成一个通道的两个流不会混合，所以只会通过非常缓慢的扩散混合。

现在，我们利用这一特性将细胞群的不同部分甚至单个细胞暴露于不同的液体中。我们这样做的原因是因为它在体内就是这样发生的。在生物体内部，细胞会暴露于物质的梯度中，而且很多时候是非常短暂的。

因此，因为我们确切地知道，我们甚至可以模拟流体在流体流中不同物质的扩散中的行为，我们知道什么常数、什么缺点、细胞暴露于什么浓度以及细胞的哪个部分暴露于什么浓度。因此，这使我们能够对细胞暴露于特定物质进行非常定量的研究。作为如何使用层流研究细胞的一个例子，我们在实验室中有一个项目，我们实际上正在尝试，我们将肌肉细胞拉入，使其认为它是由神经元驱动的。

所以在发育过程中，发生的事情是神经在某个点到达肌肉，它分泌一种叫做 arin 的物质，这种物质参与突触的诞生。因此，我们正在做的事情实际上在概念上非常简单。我们将肌肉细胞放入一个设备中，并将其暴露在仅在流的中心部分包含 rin 的流中。

因此，这使我们能够假装设备是神经，而设备中的肌肉细胞是发育过程中的真正肌肉。微流体学非常强大的另一个例子是轴突导向的研究。在这里，我们的想法是利用我们知道的事实，我们可以很好地预测流体如何以小体积扩散以产生物质的梯度。

在发育过程中，梯度是负责的，部分负责神经细胞如何找到目标。因此，我们尝试在培养皿中重现这一点。在微通道内部，嗅觉是一个迷人的传感器系统。

鼻子中的神经元，比如说小鼠的每个神经元都只表达一种类型的嗅觉受体。小鼠的 m 中大约有 1000 种不同的嗅觉受体基因。每个受体都与一系列气味剂结合，每个 odin 与多个受体结合。

因此，我们相信我们检测气味的方式是通过传统的派系研究，以组合的方式，很难在大量气味剂和给定的受体之间或任何气味剂和大量受体之间找到匹配项。这是因为很难将任何给定的神经元或因子感觉神经元暴露在一系列气味剂中，反之亦然，鉴于任何气味剂都很难暴露嗅觉上皮中的所有神经元。因此，我们的方法是将嗅觉上皮细胞切成解离成单个细胞，然后将它们放在一个大型微阵列芯片中的微孔阵列上，每个微孔一个细胞。

嗯，在一个视野中，我们通常有数以万计的神经元，我们用钙成像成像，我们观察这些神经元的激活模式，从大量的神经元到气味剂和ods组。这使我们能够确信，对于任何给定的气味，我们选择的都是整个嗅觉受体空间。你知道，该阵列上至少有一个或几个受体。

通过这种方式，我们知道我们可以提出一些问题，例如，有多少闻到香蕉味的细胞也闻到柠檬味。这些微流体和微图案化技术实际上非常简单，我相信它们没有被细胞生物学更广泛地采用的原因是因为工程师和生物学家之间的文化差异。生物学家通常对新技术有点不情愿，如果不是过敏的话，而工程师通常不是很精通细胞生物学或一般生物学。

我相信在不久的将来，我们将看到生物学家自己将不需要敲开像我这样的人的大门。他们将能够设计一个简单的设备，并将设计带到像 alu foundry 这样的代工厂，他们将在一两天内被 FedEx 运回设备，这样他们自己就很容易实施实验。