LAMFIA：一种模块化、类似乐高（Lego®）的组装式塑料微流控平台，用于先进的侧向流动免疫分析

生物通首页 > 今日动态 > 正文

LAMFIA：一种模块化、类似乐高（Lego®）的组装式塑料微流控平台，用于先进的侧向流动免疫分析

时间：2026年1月25日

来源：Sensors and Actuators B: Chemical

编辑推荐：

提出模块化微流控侧流免疫层析法（LAMFIA），采用开放式通道设计实现稳定流动和精准定量检测，结合信号放大策略将检测限降至<10pg/mL，适用于快速SARS-CoV-2 IgG抗体检测。

Juyeong Kim | Wonhyung Lee | Hye Jin An | Hojin Kim

韩国釜山沙上区Jurye-ro 47号，东西大学能源/生物工程学院研究生院，47011

摘要

COVID-19大流行凸显了快速可靠平台进行定量抗体检测的必要性。侧向流动免疫测定（LFIAs）因其简单性和低成本而被广泛采用。然而，它们通常缺乏进行可靠临床决策所需的灵敏度和定量准确性。在本文中，我们介绍了一种类似乐高积木的组装微流控流动免疫测定（LAMFIA）技术，这是一种模块化且可扩展的塑料LFIA平台，用于定量检测抗SARS-CoV-2 IgG抗体。LAMFIA采用开放式通道架构，无需粘合即可组装，可实现自发的毛细流动、精确的液体处理以及多样化的基于珠子的检测集成。该系统在临床相关浓度范围（7.8–1000 µg/mL）内15分钟内表现出优异的线性。此外，我们提出了一种流动信号放大策略，将检测限从约980 pg/mL降低到<10 pg/mL，而不会延长检测时间。通过将所有试剂整合到单一的、无需人工操作的工作流程中，LAMFIA为下一代即时诊断提供了一种快速、灵敏且可扩展的解决方案。

引言

2019冠状病毒病（COVID-19）大流行由严重急性呼吸综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）引起，这突显了快速、可靠且易于获取的诊断工具的迫切需求，以便监测感染、进行血清流行病学研究并评估疫苗效果[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。免疫测定——特别是抗体（Ab）检测测定——在追踪免疫反应方面发挥着关键作用[1]、[6]、[7]。在传统诊断工具中，侧向流动免疫测定（LFIAs）因其操作简便、价格合理和便携性而得到广泛应用，使其非常适合用于即时诊断（POC）[5]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。值得注意的是，大流行凸显了它们在大规模人群筛查中的有效性，这主要归功于其快速的周转时间，进一步强调了它们在全球卫生响应中的关键作用[5]。传统的LFIA试剂盒利用硝酸纤维素膜上的毛细驱动自流动，所有必要的检测组件都集成在一个芯片上。尽管被广泛采用，但由于不规则且不可重复的多孔结构导致的流动不稳定、灵敏度低以及检测灵活性有限，其输出本质上是半定量的，因此人们一直在努力提高分析精度，从而使其能够在免疫谱分析和疫苗监测等领域得到更广泛的应用[8]。微流控平台通过利用传统LFIAs的优势，提供了更好的功能性和精度，从而实现了复杂和多用途的诊断应用[5]、[11]、[12]、[14]。通过精确操控小体积液体，微流控技术促进了自动化、微型化和高灵敏度诊断系统的发展。然而，尽管有大量的研究，微流控技术的商业化仍然受到限制——主要是由于缺乏大规模制造的成功和标准化的生产协议[15]、[16]。聚二甲基硅氧烷（PDMS）由于其生物相容性、光学透明性和通过复制模塑制造的便利性而在研发阶段被广泛使用[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。复制模塑特别适用于实验室原型制作，因为通常需要多次设计迭代。尽管PDMS（被归类为液态硅橡胶（LSR））与注塑成型兼容，并用于某些商业产品，但其漫长的处理周期和复杂的后处理步骤（例如，母模清洁和粘合）增加了生产成本[15]、[16]、[25]、[26]。诊断工具通常是的一次性消耗品，因此需要成本效益高的材料和可扩展的生产工艺以实现广泛的可用性[16]。聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和环烯烃共聚物（COC）等热塑性塑料因其机械稳定性和与注塑成型的兼容性而成为更受欢迎的替代品[11]、[25]、[26]。这些材料还具有优异的光学透明度、低自发荧光和强化学抗性等优势[27]，使其成为酶联免疫吸附测定（ELISA）板和聚合酶链反应（PCR）芯片等设备的理想选择。然而，在研究早期阶段从PDMS转向热塑性塑料往往不切实际，因为模具设计和制造需要较高的成本和时间。因此，基于塑料的微流控LFIAs的研究仍然有限。材料的变化会由于表面能、疏水性和热膨胀的差异而显著改变流体动力学，通常需要完全重新设计通道几何形状和检测条件[15]、[25]。最近，高分辨率3D打印作为一种有前景的策略出现，旨在弥合基于PDMS的原型制作和热塑性大规模生产之间的差距[15]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。然而，3D打印在吞吐量和再现性方面仍面临挑战，最终的商业产品通常通过注塑成型制造。

Kim等人报告了一种可大规模生产的基于PMMA的微流控LFIA平台[11]，该平台采用了纳米间隙增强的毛细通道和流体排放控制，以确保稳定的、可控的微流动，从而实现准确和定量的流感病毒检测。为了提高灵敏度，使用了450 nm的荧光珠子作为标记物，而不是传统的荧光蛋白。虽然这种大颗粒不适合传统的基于膜的LFIAs（因为可能会堵塞多孔结构），但微流控塑料芯片确保了颗粒的一致传输和强大的信号生成。尽管取得了这些进展，制造基于塑料的微流控芯片仍然面临挑战，特别是在实现刚性基底之间的无缝、无泄漏粘合方面。微通道的高流动阻力要求严格的尺寸公差和牢固的密封，通常需要专门的技术——如热粘合、溶剂粘合或超声波焊接——以及专用设备[15]、[25]。这些技术要求对于没有微制造专业知识的研究人员来说是一个重大障碍，特别是对于免疫测定开发者来说，从而限制了基于塑料的LFIA技术的更广泛采用。为了确立其作为下一代LFIA平台的实用性，仍需要大量的研究和验证。通过开发标准化、易于获取且可重复的基于塑料的LFIA平台，可以显著加速这一过程。在这项研究中，我们介绍了一种类似乐高积木的组装微流控流动免疫测定（LAMFIA）系统，该系统建立在我们在模块化3D打印微流控设备方面的先前工作基础上[15]。LAMFIA是通过将两个注塑成型的PMMA板组装而成的，这些板集成了所有必要的免疫测定组件，包括样品入口、试剂储存孔、检测孔和毛细通道，形成一个单一芯片（图1a-n）。关键创新之一是双面开放式毛细设计，它在组装过程中允许独特的流动行为和间隙容忍度（图1d）。与需要紧密粘合以防止泄漏的传统封闭截面通道不同，所提出的几何结构本质上可以容忍高达数十微米的组装间隙——而不会影响流动完整性。这一特性不仅确保了无泄漏的稳定运行，还便于在类似乐高积木的上下板配置中进行轻松对齐和足够的组装余量。与传统LFIA试剂盒一样，试剂和检测孔可以灵活配置，以适应各种目标检测[5]、[11]。开放式孔设计允许在制造过程中通过简单的移液操作直接加载试剂（图1e,f）。标准化的布局与自动分配系统兼容，具有可扩展和成本效益高的生产潜力[33]、[34]、[35]。为了展示这种新型LFIA平台的首次应用，并探讨从硝酸纤维素（NC）膜转向注塑成型塑料微流控的相关机会和挑战，我们介绍了一种用于快速定量检测人类IgG Ab对抗SARS-CoV-2的LAMFIA（图1h-n）。本文概述了制造过程、操作原理、流动特性、检测优化策略和分析性能，突出了该平台作为下一代LFIA技术的潜力。

部分摘录

试剂和材料

羧基PS珠子（直径约25 μm）从Kisker Biotech GmbH购买。聚乙烯醇（PVA）、Tween 20、蔗糖、海藻糖、2-(N-吗啉基)乙磺酸（MES；pH 6.0）、磺基-N-羟基琥珀酰亚胺（sulfo-NHS）、人血清和人IgG Ab从Sigma-Aldrich购买。Tris-HCl缓冲液（10 mM，pH 8.0）从Teknova购买。10%（w/v）牛血清白蛋白（BSA）在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中和1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺（EDC）也进行了购买。

结果与讨论

LAMFIA芯片是通过顶部和底部板之间的无粘合、类似乐高积木的组装方式制造的（图1a-c）。详细的设计规范见图S4。如图1d所示，该芯片设计中间有一个部分开放的（有轨道的）微通道，以及突然扩展的虚拟通道。虚拟通道可以作为虚拟侧壁（毛细屏障），使SCF沿轨道通道流动。加载的样本通过有轨道的通道传输（图1）

结论

在这项研究中，我们成功开发了一种用于快速定量检测SARS-CoV-2 IgG Ab的塑料微流控侧向流动免疫测定方法。该平台的核心是开放式通道设计，它可以容纳组装间隙，同时实现自发的、无气泡的毛细流动、可控的试剂再水化和基于珠子的免疫测定的无缝集成。LAMFIA芯片可以通过组装两个注塑成型的PMMA板轻松制造，从而实现广泛的应用

CRediT作者贡献声明

Hojin Kim：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、监督、软件、资源管理、项目管理、方法学、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。Juyeong Kim：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、方法学、研究、正式分析、数据管理。Wonhyung Lee：写作——审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证