综述：生物微系统集成和Lab-on-PCB技术的最新进展
2025-05-18 09:47:51   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

20世纪90年代初引入的微全分析系统（µTAS）概念，通过使复杂的实验室流程微型化和自动化，彻底改变了芯片实验室（LoC）技术的发展。尽管芯片实验室系统在诊断、药物开发和环境监测方面具有潜力，但由于可扩展性、集成性和高成本效益大规模生产方面的挑战，其广泛采用受到了阻碍。硅、玻璃和聚合物等传统基板难以满足实际应用的多功能要求。印刷电路板上实验室（Lab-on-PCB）技术已成为一种变革性的解决方案，利用了PCB制造技术的成本效益、可扩展性和精度。该平台促进了微流控、传感器和执行器在同一设备中的无缝集成，使复杂的多功能系统适用于现实世界的部署。最近的进展证明了Lab-on-PCB在生物医学应用中的多功能性，例如即时诊断、电化学生物传感和分子检测，以及药物开发和环境监测。

据麦姆斯咨询报道，近日，英国巴斯大学（University of Bath）在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Recent advances in bio-microsystem integration and Lab-on-PCB technology”的综述文章。该综述回顾了Lab-on-PCB在过去八年中的发展，重点关注其在研究界的应用和影响。通过分析基于PCB的微流控和生物传感的最新进展，这项工作强调Lab-on-PCB系统如何解决关键技术障碍，为可扩展和实用的芯片实验室解决方案铺平了道路。出版物和专利数量的显著增加凸显了学术界和工业界对Lab-on-PCB日益增长的兴趣，表明其商业化和更广泛采用的潜力。

Lab-on-PCB集成方法

研究人员定义了三种不同类型的Lab-on-PCB平台，主要标准是不同电子元件和微流控元件的集成水平。这三种类型可以定义为无缝式、混合式和模块化式。无缝式方法可以通过直接在PCB基板上构建微流控结构来解释，而混合式方法用于分别设计和制造PCB/电子层和聚合物/微流控层。根据外部电子层和微流控层的结合方式，混合式可分为堆叠型和分离型。在PCB基板上依次构建各层可定义为堆叠型，而在器件组装键合之前的单独构建则描述为分离型。模块化Lab-on-PCB由单独制造的模块组成，可以根据预期的应用以不同的方向组合。下图概述了不同的Lab-on-PCB方法。

Lab-on-PCB集成方法概览

Lab-on-PCB的应用

A 流体处理和操纵

微流控技术推动了Lab-on-PCB系统的发展，实现了环境监测、化学和生物学等应用中的高效流体处理和操纵。研究人员回顾了基于Lab-on-PCB的流体处理方法的最新进展，包括介质电润湿（EWOD）和介电电泳（DEP）。这些方法中的每一种都能在适用于各种微流控应用的紧凑、低成本系统中实现精确的液滴控制。

EWOD芯片上的液滴操纵过程示意图

基于PCB的高通量介电泳分离器

B 用于生物领域的Lab-on-PCB

近年来，Lab-on-PCB技术在生物诊断和生物标志物检测中的应用迅速扩大。这种增长可能源于Lab-on-PCB解决传统诊断设备局限性的能力，传统设备通常昂贵、笨重、耗时，不太适合现场测试和快速响应。通过将生物传感器与PCB技术相结合，Lab-on-PCB为各种生物应用提供了一个简化、经济高效的平台，包括细胞分析、免疫传感器和免疫测定、生化测定和疾病诊断。

基于Lab-on-PCB阻抗法检测鼻咽拭子中病毒核衣壳（NC）蛋白和刺突蛋白的示意图

C 传感和检测

基于Lab-on-PCB设备的最新进展突出了电化学传感是一个主要焦点，其中分析物反应可产生可检测的电信号。电化学方法能够有效检测各种电解质和生物标志物，这对于诊断和监测脱水、心输出量和神经系统疾病等健康状况至关重要。研究人员评估了近年来基于Lab-on-PCB的电化学传感技术在电解质监测和生物标志物检测方面的进展，重点关注其可扩展性和实际应用潜力。

无电池独立式摩擦纳米发电机（FTENG）供电的可穿戴汗液传感器系统（FWS）

D 新兴应用

在对经济高效、便携和可扩展的诊断工具需求的推动下，Lab-on-PCB技术正在迅速进入各种商业领域。将微流体通道、传感器和电子器件集成到单个PCB基板上，使这些系统能够服务于广泛的新兴应用。通过Lab-on-PCB平台实现变革性进步的关键领域包括航空航天和天线技术。

飞秒激光烧蚀辅助天线制造

在过去的二十年里，基于PCB的芯片实验室（LoC）技术已经从基本的单个组件发展到支持μTAS方法的高度集成和自给自足的平台。Lab-on-PCB设备特别适用于诊断应用，可在需要时提供准确的分析物定量，其优势包括完善的工业基础设施、先进的微细加工能力和无缝的电子集成。随着μTAS中角色的明确以及对“样本进-结果出”集成需求的不断增长，特别是在新冠肺炎（COVID-19）大流行等挑战期间，Lab-on-PCB技术有望加速发展。它与ASSURED标准的一致性凸显了其作为经济实惠、高灵敏度且易于获取的诊断解决方案的潜力，架起了科学创新和商业化的桥梁。设计和制造的标准化以及对外围设备和研究实验室基础设施的依赖的减少是该领域发展的支柱，这是由最终用户需求驱动的。研究实验室和PCB行业之间的合作必须增长，越来越多的发表文章凸显了该领域的发展势头。

为了实现商业技术的下一个成熟阶段，需要有Lab-on-PCB设备来应对重大的医疗或工业挑战，例如新冠肺炎疫情，并将设备完全整合到现有的医疗和/或分析工作流程中。这反过来又给研究人员提出了基本的科学挑战，即开发出满足最终用户性能和可用性规范的实用微系统。它还为创新者带来了商业化和利益相关者参与的挑战，涉及开发令人信服的商业案例，能够吸引投资，以获得监管批准并融入临床实践。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41378-025-00940-4

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