微流控技術(shù)是一種用于控制極微量液體(10-9~10-18L)的新型技術(shù)平臺。微流控技術(shù)廣泛應用于生物問(wèn)題研究，其主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是將細胞培養、實(shí)驗處理、成像、檢測等步驟高度集成到芯片上。

微流控技術(shù)問(wèn)世至今，已有近30年的歷史，但其發(fā)展迅速，被稱(chēng)為下一代醫學(xué)診斷的顛覆性技術(shù)。本文將從微流控技術(shù)發(fā)展的重要時(shí)間節點(diǎn)、開(kāi)發(fā)微流量控制芯片需要考慮的主要因素和流行應用領(lǐng)域三個(gè)方面簡(jiǎn)要介紹微流控技術(shù)。

微流控技術(shù)發(fā)展的重要時(shí)刻：

1.90年代。

Manz、Harison等人開(kāi)展了初期的芯片電泳研究，提出了微-全分析系統(μ-TAS)的概念。

2.1994

在Manz的研究基礎上，Ramsy改進(jìn)了芯片毛細管電泳取樣方法，提高了其性能。同年，首屆微型TAS會(huì )議在荷蘭召開(kāi)。

3.1995

第一家從事的Caliper公司成立，相關(guān)企業(yè)的微流控制技術(shù)研究開(kāi)發(fā)也很緊密。

4.1998

Whiteside提出了用PDMS制作芯片的快速模板復制方法。

5.1999

Agilent和Caliper公司聯(lián)合推出了首款微流控芯片商業(yè)化儀器，最早應用于生物分析和臨床分析領(lǐng)域。

6.2000

軟光刻實(shí)現芯片上的微閥和微泵。

7.2001

創(chuàng )建期刊LabonaChip，專(zhuān)門(mén)收錄微流控技術(shù)研究文章。

8.2002

微流量控制芯片的大規模集成實(shí)現。

9.2003

Forbes雜志將列為未來(lái)15年影響人類(lèi)最大的發(fā)明之一。

10.2004

Bussiness2.0雜志稱(chēng)為改變未來(lái)的7種技術(shù)。

開(kāi)發(fā)微流控芯片應考慮的因素。

為了能控制10-9~10-18L的極微量液體，那么作為裝載芯片的精度到底有多高??！一個(gè)芯片從加工到最終成型都要經(jīng)過(guò)哪些步驟？每個(gè)步驟應該考慮哪些技術(shù)問(wèn)題？跟小編一起來(lái)看看吧！

一、微流控芯片加工。

這個(gè)步驟需要考慮結構，成本，管道尺寸，是否可以批量生產(chǎn)等等。當前的技術(shù)包括：

光刻技術(shù)、熱壓、成型、注塑、LIGA(集光刻、電鑄、成型)、激光燒蝕、軟光刻。

二、微流控芯片封裝。

這個(gè)步驟需要考慮的問(wèn)題有：高溫性能退化，常溫老化，選點(diǎn)密封還是表面密封，是否堵塞管道，是否能量產(chǎn)。當前的技術(shù)主要有：

Plasma/電離超聲波焊接，激光焊接，熱壓鍵合等。

三、微流控制流體驅動(dòng)。

這一步需要考慮的主要有泵和閥門(mén)，包括選擇主動(dòng)型還是被動(dòng)型，是否穩定可靠。另一方面，需要考慮流體寬度、深度、空腔大小、定量分析或定性分析。目前的驅動(dòng)方法主要有:

光控、電驅動(dòng)、磁場(chǎng)、擠壓氣泡、膜振動(dòng)、泵推、離心力、剪切力。

四、氣溶膠污染設計。

這個(gè)步驟需要考慮選擇哪種材料或方法來(lái)盡量減少氣溶膠的污染?，F有的方法如下：

密封反應系統后擴、全密封系統、硅油密封、樣品添加后，密封樣品孔、扣結構、手工密封。

五、儀器信號檢測。

采集微流控液滴信號，主要技術(shù)包括:

可視化閱讀、電信號閱讀和擴展曲線(xiàn)。

六、配套軟件系統。

一個(gè)好的微流控制系統光有芯片是不夠的，還需要一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的軟件系統，這樣可以大大提升用戶(hù)的體驗哦。

熱門(mén)應用領(lǐng)域：

1.IVD(體外診斷)

微流量控制芯片IVD產(chǎn)品在某些方面具有顛覆性?xún)?yōu)勢，必將發(fā)展成為主流的體外檢測技術(shù)。

1.1器官芯片。

器官芯片是指在微流控制芯片平臺上模擬器官功能的科學(xué)技術(shù)，是2016年世界達沃斯論壇評選的十大新技術(shù)之一。其主要目標是通過(guò)在芯片上模擬生物環(huán)境，培養細胞、組織和器官，研究和控制細胞在體外培養過(guò)程中的生物行為，從而實(shí)現模擬生物環(huán)境的器官移植和藥物評價(jià)。器官芯片是一個(gè)復雜的系統，目前有腎臟芯片、肝臟芯片、胰島芯片、腸芯片、血管糖鄂芯片、腫瘤新產(chǎn)品等臨床應用。

1.2液體活檢。

以循環(huán)性腫瘤細胞CTC檢測為例，在腫瘤分期檢測、動(dòng)態(tài)檢測、療效評估、藥物開(kāi)發(fā)和預后檢測等方面具有重要意義，是替代腫瘤組織活檢的一種新型液體活檢技術(shù)。然而，依靠單一上皮抗體的CTC免疫收集和技術(shù)方法，不能全面捕獲不同類(lèi)型的CTC，難以無(wú)損釋放CTC，不能提供深度分子病理信息。通過(guò)微流控制技術(shù)，可以獲得多親和力、高特異性的核酸序列，可以通過(guò)構建微流控制微柱陣列芯片來(lái)實(shí)現CTC的高效捕捉和無(wú)損釋放。該方法在癌癥的準確診斷、用藥指導和療效評價(jià)方面具有重要的應用前景。

2.環(huán)境與生化分析。

將移動(dòng)集成閥集成到芯片上，構建旋轉分析平臺，通過(guò)旋轉閥控制通道之間的連接和斷開(kāi)，實(shí)現對流體的控制。結合酶聯(lián)比色免疫分析和芯片，構建基于微流控制芯片的比色免疫傳感器，根據顯色信號的強度定量分析污染物濃度。該方法可分析多種環(huán)境污染物，操作簡(jiǎn)單，集成度高，發(fā)展潛力大。

3.單細胞分析。

細胞是生命存在的基礎，探索生命健康和疾病往往需要細胞研究。由于細胞和細胞的不同，群體細胞的研究結果只能得到一群細胞的平均值，這往往會(huì )掩蓋個(gè)體差異信息。微流控芯片為細胞生物功能研究提供了新的思路。

4.核酸分析。

微流控芯片技術(shù)用于PCR擴展和相關(guān)檢測，可以簡(jiǎn)化操作步驟，顯著(zhù)提高檢測效率。在這方面，基于的微液滴數字PCR(ddH2O)是一個(gè)成功的例子。數字PCR是一種新的核酸檢測和定量方法。借助微液滴或微坑，通過(guò)單個(gè)模板分子的PCR擴展，可以實(shí)現不依賴(lài)標準曲線(xiàn)和參考樣本的準確絕對定量。數字PCR使反應更加敏感，結果更加可靠，顯示更加直觀(guān)，特別適合微量或痕量DNA檢測和定量。

5、藥物篩選。

藥物篩選是現代藥物開(kāi)發(fā)過(guò)程中測試和獲得特定生理活性化合物的一步。微流控芯片技術(shù)因其樣品消耗小、速度快、柱效高、所用溶液系統接近生物體液組成而成為一種非常有潛力的藥物和先導化合物的高效篩選工具。

該平臺可集成256個(gè)或細胞培養腔微陣列，改變常規的細胞培養方法，實(shí)現細胞藥物篩選的高通量化；芯片微納升級體積大大降低了試劑消耗，降低了藥物篩選成本；微流控芯片設計的二維結構或三維微結構區域可產(chǎn)生較低的剪切力，在腔室內形成濃度梯度，進(jìn)而對藥物進(jìn)行毒性分析；微流控芯片集成化十分明顯，將藥物合成分離富集、實(shí)驗細胞培養、藥物效果檢測等多個(gè)步驟，實(shí)現藥物篩選的自動(dòng)分析。

近年來(lái)，微流控技術(shù)發(fā)展迅速，芯片集成的單元部件越來(lái)越多，集成規模也越來(lái)越大。同時(shí)，微流量控制芯片可以大量平行處理樣品，具有通量高、分析速度快、物質(zhì)消耗低、污染小的特點(diǎn)，為材料、化學(xué)、生命科學(xué)、生物醫學(xué)等領(lǐng)域的基礎和應用提供了強大的平臺。

雖然有那么多令人興奮和引人注目的發(fā)展，但我們仍面臨著(zhù)微流體領(lǐng)域的挑戰，主要體現在理論研究理念和解決現實(shí)世界問(wèn)題的實(shí)際技術(shù)之間的轉變上。所以，今后，我們還是要把精力放在基礎研究上，促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展，但同時(shí)也要重視微流體技術(shù)的應用，特別是在高通量領(lǐng)域的應用。認為微流控制產(chǎn)品很快就會(huì )陸續進(jìn)入市場(chǎng)，對人類(lèi)生命健康發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護起到重要作用。