使用微机电系统（MEMS）开发诊断工具

我是 U De Mercy，我是医学实验室 Bio Stick MAM 的首席研究员。我在斯坦福大学获得了电气工程博士学位。我在哈佛医学院 MGH 做了博士后研究，研究生物声学 MAM 或主要是生物 MA。

现在，我继续在哈佛医学院、哈佛麻省理工学院健康科学与技术学院任教。并继续我非常喜欢的研究。我在博士期间所做的工作与液滴密切相关，并使用声学来生成精确尺寸的液滴并控制它们的位置和位置以沉积非常敏感的聚合物。

现在我们应用类似的技术将细胞封装在液滴中，然后将它们放置在组织工程中的各种应用中的表面，以在表面上打印细胞以形成细胞图案。此外，在某些应用中，您希望看到您可以封装几个细胞或单个细胞或来自同一细胞群，并且要查看从一个细胞到另一个细胞的相同细胞群之间的差异，能够以高吞量速率（如每秒 10， 000 个细胞）将细胞封装在液滴中，这对于了解生物学问题非常重要且非常有用。所以我想说，我的研究目前有两条腿。

一个是我刚才谈到的细胞封装工作。我们如何将细胞包装在液滴中，我们如何在不伤害细胞的情况下重复可靠地进行填充？因此，在细胞被喷射或封装在液滴中后，我们应该能够精确地定位细胞应该功能正常、有活力和活力的表面。

它不应该受到弹出等的影响。所以目前我们有一个系统，我们使用声滴聚焦波从开放池中产生这些液滴，在那里我们可以将这些非常小的液滴封装成单个细胞，这些液滴的大小与细胞大小相当。就将其应用于细胞打印和组织工程而言，这非常令人兴奋。

我研究的另一面是再次使用这些 MAM 微机电系统技术来开发低成本的诊断工具。这项研究主要使用微流体方法，我们可以引入全血，非常小的体积，例如来自刺破手指的血液，小于 10 微升，您可以引入芯片。从这些血液中，我们可以封装，或者您可以从全血中捕获某些亚细胞群。

为什么这很重要？为什么这对全球健康应用来说应该很便宜 在非洲的山顶上，您希望能够为 HIV 患者判断，例如，该患者有多少 CD 4 T 淋巴细胞。因为世界卫生组织表示，低于 200 CD 每微升 4 个细胞，您必须开始治疗患者 在发达国家，您需要使用数十万美元的 vert 流式细胞仪才能获得这些数据。

当然需要时间来使用，当然需要技巧才能像使用巨大的桌子大小的机器一样使用它们。我们的小芯片可以引入这个小指砖 10 微升全血，它将利用表面蛋白亲和力捕获 CD 四个细胞。然后，您可以快速计数这些捕获的细胞，因为您知道有 CD 4 细胞附着在芯片表面的 CD 4 蛋白抗体上。

通过控制流速和剪切力，您可以确保这些细胞类型的特异性和效率得到优化。当然，总是存在非特异性结合，但通过我们的纯粹方法，我们将这些影响降至最低，并确保在正负 10% 误差之间，这足以在非洲山顶做出诊断或预后决策。因此，这对全球健康有有趣的应用，而且这些一次性的低成本技术可以影响发达国家，因为现在这些成本非常低的快速血液测试可以影响我们在发达国家使用的测试。

如果它们被优化到更高水平的效率和特异性，我们的初步数据表明它们可以，那么它肯定会影响我们的生活。当我刚完成博士学位时，我对微流体学有了更多的了解，在 MAM 中，我所看到的任何东西都多，尤其是液滴应用，我可以看到，如果我能打印细胞和封装细胞，或者纵少数细胞、单个细胞，它将在生物技术领域有很大的应用。我对从事真正影响人们生活的事情非常感兴趣。

我以前将这些技术应用于半导体行业，但后来我想直接为人们服务。所以我，这就是引导我关注医疗保健问题的原因。然后，这就是为什么我做出了一个重大转变，来到一家医院，麻省综合医院进行博士后研究。

在那里，你知道，我越来越多地接触到问题，很明显，当今世界最大的问题之一是全球健康，还有像肺结核、艾滋病毒这样的疾病，每天导致数千人死亡。这些人死亡不是因为没有药物，而是因为没有足够的诊断工具，这比现有药物贵得多。所以我非常了解事情的技术方面。

我明白了，我接触到了生物学问题，我对它们了解得越多，我就越能看到我可以产生影响。这就是一切从那里发展起来的方式。现在它仍在继续。

就像我看到的生物技术和医学领域，有很多问题实际上直接导致我们失去人们的生命和技术，它的技术方面以及能够将其应用于现实世界的医疗问题是一条很棒的道路，我认为可以遵循。这就像我认为整个生物技术领域正在发展并且变得非常有影响力一样。如果你仔细想想，HIV 癌症，这些都是世界上最大的杀手。

当前的微技术、当前的方法可能会从癌症的早期检测中受益，方法是从血液中捕获这些细胞或使其非常便宜，这将使它可供大众使用。因此，所有这些因素结合在一起，我认为整个微技术在医学医疗保健中的应用可能会影响人类的未来。所以我想这就是所有这些事情是如何组合在一起的。

在哈佛大学麻省理工学院健康科学与技术学院，一端拥有技术，另一方面你可以直接接触患者，直接接触我工作的布莱根妇女医院的医生，这是一个很棒的环境。因为你与之交谈的每个人都有他们的问题，你可能来自不同的背景。 为那些现有的现实世界问题提供有趣的解决方案。所以，我认为我是如何看待这些医疗问题如何与技术方面相遇的整体视角的。

我们试图以积极的方式影响人们的生活。在单细胞帽封装或细胞封装中，主要挑战是能够可靠且可重复地封装单个细胞。所以你每秒弹出 10， 000 个十万个细胞。

如何确保弹出的每个液滴都有一个细胞？在这个统计数据中，您可以更改液滴大小并最小化，根据液滴大小优化细胞大小，这涉及到在一个体积中填充球体的老问题以及最有效的方法是什么。因此，从技术方面来看，这是电池打印领域面临的最大挑战。

它的另一方面是，您现在可以说打印并精确定位这些单元格。如何生成这些三维组织，如何让它们保持活力，如何移植它们？在问题的生物学端，你现在想完全模拟组织。

我们目前的方法可以打印孔眼、胰腺孔眼，并能够使用平滑肌细胞（一种膀胱组织）进行打印，直接模拟人类或红色膀胱中的成分，这样我们就可以制造这种组织并测试它与现实世界中现有的天然组织相比的性能如何。所以，我想这就是主要挑战，通过采用这些新技术，如何使它成为可以替代、可以移植的理想组织，这是从一开始就最大的问题，因为对单细胞的控制使您能够精确定位它们。然后你是如何从那里获得它的呢？

所以，它是可以移植的东西，人类生活的影响就在那里。因此，在组织工程方面，在 Southern 封装和使用微流体进行诊断方面面临的挑战是能够从数十亿个细胞中捕获一个细胞。这就像你在盐罐里有一个糖颗粒，你试图把那个糖颗粒拉出来，这就像十亿分之一。

因此，您正在处理微升到毫升的全血，您希望能够特异性和高效地处理，而不会出现任何技术问题（如堵塞）或任何生物学问题（如非特异性结合），您希望能够在一微升全血中分离出数十亿个细胞中的一个细胞，您有几百万个细胞。对于那 1 微升的 CD 4 T 淋巴细胞病例，我们追求的是每微升大约一千个细胞。所以这就像一千个问题中的一个单元，我们已经证明它是可行的。

但是，当你想追踪循环肿瘤细胞来治疗癌症时，那么挑战就变成了十亿分之一。所以，总结一下，挑战在于我们如何从周围的数十亿个其他细胞中捕获这个细胞？技术方面是什么？

流速是多少？设备设计是什么？什么，流速是多少？

什么，必须处理的血液量是多少，您如何确保您捕获的细胞是您真正想要捕获的细胞？所有这些方面都构成了可以用一句话来概括的整个挑战，那就是如何从数十亿个其他细胞中捕获这个稀有细胞？所以这真的是一个大海捞针的问题，这很令人兴奋。

我认为，推动技术向前发展以解决这些问题是当前的技术挑战。能够将他们带到一个水平，让他们完成他们应该做的工作是一回事。然后将其带到临床并使其成为产品，需要具备所有不同的专业知识，例如能够创办公司、能够为这些东西申请专利以及所有其他方面。

我认为，作为科学家，我们主要不具备将产品从桌面带到产品的所有技能。因此，与具有不同背景的人合作的重要性再次出现。我认为有许多技术可能非常有影响力和有用。

他们有时无法进入诊所或人类使用，要么是因为它没有发生，要么是不是正确的时间，要么是我刚才谈到的其他影响。或者有时没有直接的联系，你看不到该技术实际上可以解决这个问题。处理这个问题的人，或者说生物学家或医学界人士多年来已经习惯于用一种方式来做这件事。

如果你不专注于生物技术，那么技术方面的人大多不会意识到医学方面的问题。因此，将这两方面放在一起是一项严肃的跨学科研究。我认为，在过去几年中，NIH 层面以及我们在研究实验室和大学中看到的全部重点都是产生跨学科研究。

所以人们最终在获得博士学位时必须了解多个领域。例如，在攻读博士学位时，我必须了解声学，我必须了解微流体，我必须了解微流体，我必须将其应用于聚合物。所以现在你看到在一个领域有非常深的知识，你实际上必须非常了解其他三个领域才能解决这个问题。

所以我认为答案是跨学科研究与具有商业技能的人相结合，使其可供人们使用，这是一个完整的大过程，并且在某些地方会出现一些效率低下的问题。导致技术转移的百分比很低。