生物特洛伊木马，微流控生物芯片受到的威胁与对策
2024-08-28 20:48:30 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员介绍了一种名为“生物特洛伊木马”的基于材料的攻击，即基于流体流动的微流控生物芯片（FMB）中的微阀经过化学干预，容易通过低频致动使其破裂。该漏洞会对临床诊断和生物医学研究的完整性造成威胁，而这对患者的医疗保健至关重要。
微流控生物芯片是一类知名的“片上实验室（Lab-on-a-chip）”器件，为生物计算、生物医学研究、医疗诊断和即时检测（POCT）领域带来了革命性的变化。与传统的台式实验室方案相比，这些微型器件在处理微升/纳升样品、提供超灵敏检测以及提供快速、精确操作方面表现卓越。它们具有可扩展性、灵活性、高通量、自动化和高效率等特点，改变了分子生物学研究及其在聚合酶链式反应（PCR）研究、DNA和蛋白质组分析、药物发现和个性化癌症治疗中的应用。
在新冠疫情（COVID-19）之后，市场对微流控生物芯片的需求显著增长。然而，由于需求越来越高以及随之而来的利润，这些生物芯片可能容易受到网络物理攻击。因此，如何确保它们免受此类威胁成为一个主要优先事项和重大挑战。美国新的医疗器械法规中包含了一项医疗器械网络安全条款，强调了加强微流控生物芯片等医疗器械网络物理安全的迫切性。
微流控生物芯片通常根据其底层操作技术可分为两大类：数字微流控生物芯片（DMFB）和基于流体流动的微流控生物芯片（FMB）。DMFB通过电介质上的电润湿原理操纵电极阵列上离散的液滴来工作。相比之下，FMB利用微型阀门和泵控制微通道和微反应腔内的流体流动。从材料角度来看，FMB主要采用聚合物制造，特别是聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
特别是PDMS微阀，它是一种能够在气动驱动下变形的微型薄膜，在FMB的功能性中发挥着关键作用。它们可以调节微通道内的流体流动，实现泵送、混合、过滤、培养和洗涤等关键操作。此外，它们通过将样品流体分成独立体积并使其不受污染，有效促进了集成流体回路（IFC）和数字PCR的实现。已公布的数据显示，学术研究实验室制造的FMB器件中有55%使用了PDMS，特别是化学公司规定使用的10:1固化比。之所以如此，是因为PDMS具有弹性和柔韧性，而玻璃在受到冲击时很容易破碎，此外，PDMS还具有出色的可复制性、透明度、等离子键合能力，并且易于通过软光刻技术进行图案化。
然而，这些微型阀门也引入了一种材料层级的漏洞，恶意攻击者可以利用该漏洞对FMB发起攻击。这一漏洞源于相关的制造方法，其中包括将PDMS从液态热固化为固态。液态形式包含按预定重量比（即固化比）充分混合的PDMS前体和固化剂。由于微阀制造涉及液固转换，因此对液态PDMS的任何化学干预都可能导致相关微阀在固态使用时的材料性能下降。
这种化学干预可以由制造单元内拥有对材料、设施和制造过程完全访问权限的攻击者完成。例如，攻击者可以改变固化比率或操纵固化条件，向PDMS固化剂溶液中添加有害化学物质或活性溶剂，用过期或受污染的PDMS前体或固化剂替代密闭瓶中的原始PDMS前体或固化剂，或者在制造使用之前通过加热、光或辐射将相关化学成分暴露在有害环境中。这些故意的攻击很可能不会被发现，因为这些微阀在固化后仍能保持原有的光学特性，但这些攻击会对微阀的机械性能产生不利影响，导致FMB功能受损。
这种攻击的后果包括微阀的破裂、泄漏、粘连、堵塞、生物污染和降解等，从而破坏FMB的IFC并导致生物协议遭到破坏。这些故障可能导致诊断不准确，对患者的医疗保健产生不利影响，并误导生物医学研究成果。例如，不正确的诊断可能导致不恰当的治疗，危及患者的健康和安全。同样，误导性的研究结果可能会导致错误的药物开发，浪费时间，并可能需要重复实验，但试剂成本高昂且样本可能是有限。
微流控生物芯片威胁模型，突出展示了可以在制造单元中执行的物质级攻击，以及可以执行攻击的攻击者。
据麦姆斯咨询介绍，纽约大学阿布扎比分校的研究人员介绍了一种名为“生物特洛伊木马”的基于材料的攻击，即FMB中的微阀经过化学干预，容易通过低频致动使其破裂。该研究成果已经以“BioTrojans: viscoelastic microvalve-based attacks in flow-based microfluidic biochips and their countermeasures”为题发表于Scientific Reports期刊。研究人员在实验中演示了使用30:1和50:1的PDMS固化比（而不是标准的10:1）进行的生物特洛伊木马攻击。根据DMA结果进行的有限元分析表明，生物特洛伊木马在每个致动周期中存储的机械能明显增加，从而导致通过低频致动触发快速破裂。
生物特洛伊木马对圆形PDMS微阀（直径350 µm，膜厚30 µm）在不同固化比下的攻击，突出了与原始10:1固化比微阀相比，它们在低频致动下的破裂，以及对FMB的潜在影响。
这些漏洞会对临床诊断和生物医学研究的完整性造成威胁，而这对患者的医疗保健至关重要。作为应对措施，研究人员提出了一种安全设计方法，包括采用能够将应力集中降低50%的光滑圆角。此外，还提出了一种使用荧光微阀的光谱验证技术，通过强度-应变校准曲线实现有效的生物特洛伊木马检测。在当前个性化医疗和即时检测日益流行的时代，这些对策旨在主动保护FMB免受生物特洛伊木马攻击。
图a、b分别图解了无圆角和带圆角（半径为0.05 mm）的控制层，这种圆角可以在设计阶段纳入。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-024-70703-0
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