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芯片实验室(Lab on a chip)技术已发展成为当今世界上最前沿的科技领域之一,其以微流控芯片为核心,因高效快速、通量集成、节能低耗等特点在化学、生物学等领域的应用中彰显出独特的优势。多肽作为重要的内源性物质,在生物体内发挥重要的生理功能,多肽类药物、疫苗以及诊断试剂己成为生物医药领域的研究热点。本论文将多肽研究与微流控芯片技术相结合,充分发挥微流控芯片的优势,成功构建了连续流动型的多通道、阵列式微流控芯片固相多肽合成新体系,发展了基于四层3D结构微流控芯片的多肽筛选识别新系统,开展了基于微流控芯片的多肽合成、筛选与检测研究。主要研究结果如下:
针对固相多肽合成多组分、多步骤、循环反应、溶剂条件苛刻等特点,设计并制备了全玻璃结构的单通道芯片固相微反应器。发展了常规实验室条件下简便、高效的玻璃芯片制作新方法,通过采用多配方的芯片清洗步骤以及增创的芯片真空加温预键合程序,有效地避免了芯片的劈裂、漏液等现象,极大地提高了玻璃芯片的制作成功率和使用效率。在微芯片的反应腔体内部设计并刻蚀了多层栅栏-围堰式结构,既可以束缚固相载体,又可以保证液流畅通。以所构建的微反应器体系,进行了模型亮氨酸脑啡肽YGGFL的合成,并探索发展了多肽的芯片原位裂解新方法。多肽粗产物的纯度达91.8%,产率达82.6%。采用连续流动形式的微流控芯片反应器进行固相多肽合成,免除了复杂装置,缩短了反应周期,减少了试剂用量,提高了反应速率,具有易操作、高效率、低成本的特点。
在单通道芯片微反应器的基础上,发展构建了多通道阵列式微流控芯片固相合成体系。制备了呈辐射状的轴向进样式多单元芯片,每个单元既可独立进行循环反应,又可进行集成化控制。通过多单元合成芯片、分流芯片、氨基酸加料池、动力装置及真空负压装置等模块的串联,构建了阵列式微流控固相合成系统。研制了适用于微流控通道多肽合成的固相微载体,制备了粒径均一、高负载量、高交联度的新型刚性多孔聚羟甲基甲氧甲基苯乙烯(HMP)树脂,有效地避免了低交联树脂在有机溶剂氛围下的弹性形变而造成的微通道堵塞。基于刚性树脂,利用所构建的多单元芯片体系,以六通道为模型,选取了β-内啡肽亲和多肽库中活性较高的六种多肽YGAFLS、YGAFS、YGAFL、YGGFLS、YGAF、YGALS进行了阵列式合成。同时获得了六种不同的多肽产物,粗产物的平均纯度达87.4%,平均产率达74.0%。六种多肽可在4小时内同时获得,相较于常规反应数天的反应周期,效率显著提高。
设计并构建了集成化进样并原位检测的四层3D结构微流控芯片筛选检测体系。制备了具有pH梯度发生器及固相筛选区域的六单元微流控芯片。针对多单元样品的引入问题,设计了具有独特偏心轴向结构的双层分流芯片作为集成化进样模块。通过顶层两个总进样口便可实现向筛选层6个单元12个通道的立体化试样引入,并实现36个实验点的同时筛选。设计了具有不同性质C端氨基酸的六条模型SP多肽作为筛选模型,基于磁珠荧光免疫反应,进行了SP肽与β-内啡肽抗体在不同pH条件下的原位识别。SP-L在pH7.1条件下显示出与β-内啡肽抗体最强的亲和相互作用。常规荧光免疫实验进一步验证了芯片原位筛选检测的结果。基于多单元筛选与立体化分流,提高了反应效率,免除了复杂的外部装置和纷繁的管路连接,为芯片体系的集成化和真正意义上的微型化提供了借鉴和启示。