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(tái)。微流控技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物問題研究，其主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是將細(xì)胞培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)處理、成像、檢測(cè)等步驟高度集成到芯片上。

微流控技術(shù)問世至今，已有近30年的歷史，但其發(fā)展迅速，被稱為下一代醫(yī)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(jié)點(diǎn)、開發(fā)微流量控制芯片需要考慮的主要因素和流行應(yīng)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等人開展了初期的芯片電泳研究，提出了微-全分析系統(tǒng)(μ-TAS)的概念。

2.1994

在Manz的研究基礎(chǔ)上，Ramsy改進(jìn)了芯片毛細(xì)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。

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)研究開發(fā)也很緊密。

4.1998

Whiteside提出了用PDMS制作芯片的快速模板復(fù)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(yīng)用于生物分析和臨床分析領(lǐng)域。

6.2000

軟光刻實(shí)現(xiàn)芯片上的微閥和微泵。

7.2001

創(chuàng)建期刊LabonaChip，專門收錄微流控技術(shù)研究文章。

8.2002

微流量控制芯片的大規(guī)模集成實(shí)現(xiàn)。

9.2003

Forbes雜志將列為未來15年影響人類最大的發(fā)明之一。

10.2004

Bussiness2.0雜志稱為改變未來的7種技術(shù)。

開發(fā)微流控芯片應(yīng)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?。∫粋€(gè)芯片從加工到最終成型都要經(jīng)過哪些步驟？每個(gè)步驟應(yīng)該考慮哪些技術(shù)問題？跟小編一起來看看吧！

一、微流控芯片加工。

這個(gè)步驟需要考慮結(jié)構(gòu)，成本，管道尺寸，是否可以批量生產(chǎn)等等。當(dāng)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(dāng)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(qū)動(dòng)。

這一步需要考慮的主要有泵和閥門，包括選擇主動(dòng)型還是被動(dòng)型，是否穩(wěn)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(qū)動(dòng)方法主要有:

光控、電驅(qū)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(shè)計(jì)。

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

密封反應(yīng)系統(tǒng)后擴(kuò)、全密封系統(tǒng)、硅油密封、樣品添加后，密封樣品孔、扣結(jié)構(gòu)、手工密封。

五、儀器信號(hào)檢測(cè)。

采集微流控液滴信號(hào)，主要技術(shù)包括:

可視化閱讀、電信號(hào)閱讀和擴(kuò)展曲線。

六、配套軟件系統(tǒng)。

一個(gè)好的微流控制系統(tǒng)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(tǒng)，這樣可以大大提升用戶的體驗(yàn)哦。

熱門應(yīng)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優(yōu)勢(shì)，必將發(fā)展成為主流的體外檢測(cè)技術(shù)。

1.1器官芯片。

器官芯片是指在微流控制芯片平臺(tái)上模擬器官功能的科學(xué)技術(shù)，是2016年世界達(dá)沃斯論壇評(píng)選的十大新技術(shù)之一。其主要目標(biāo)是通過在芯片上模擬生物環(huán)境，培養(yǎng)細(xì)胞、組織和器官，研究和控制細(xì)胞在體外培養(yǎng)過程中的生物行為，從而實(shí)現(xiàn)模擬生物環(huán)境的器官移植和藥物評(píng)價(jià)。器官芯片是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，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(yīng)用。

1.2液體活檢。

以循環(huán)性腫瘤細(xì)胞CTC檢測(cè)為例，在腫瘤分期檢測(cè)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、療效評(píng)估、藥物開發(fā)和預(yù)后檢測(cè)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型的CTC，難以無損釋放CTC，不能提供深度分子病理信息。通過微流控制技術(shù)，可以獲得多親和力、高特異性的核酸序列，可以通過構(gòu)建微流控制微柱陣列芯片來實(shí)現(xiàn)CTC的高效捕捉和無損釋放。該方法在癌癥的準(zhǔn)確診斷、用藥指導(dǎo)和療效評(píng)價(jià)方面具有重要的應(yīng)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(gòu)建旋轉(zhuǎn)分析平臺(tái)，通過旋轉(zhuǎn)閥控制通道之間的連接和斷開，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的控制。結(jié)合酶聯(lián)比色免疫分析和芯片，構(gòu)建基于微流控制芯片的比色免疫傳感器，根據(jù)顯色信號(hào)的強(qiáng)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?jié)摿Υ蟆?/span>

3.單細(xì)胞分析。

細(xì)胞是生命存在的基礎(chǔ)，探索生命健康和疾病往往需要細(xì)胞研究。由于細(xì)胞和細(xì)胞的不同，群體細(xì)胞的研究結(jié)果只能得到一群細(xì)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(xì)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(kuò)展和相關(guān)檢測(cè)，可以簡(jiǎn)化操作步驟，顯著提高檢測(cè)效率。在這方面，基于的微液滴數(shù)字PCR(ddH2O)是一個(gè)成功的例子。數(shù)字PCR是一種新的核酸檢測(cè)和定量方法。借助微液滴或微坑，通過單個(gè)模板分子的PCR擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)不依賴標(biāo)準(zhǔn)曲線和參考樣本的準(zhǔn)確絕對(duì)定量。數(shù)字PCR使反應(yīng)更加敏感，結(jié)果更加可靠，顯示更加直觀，特別適合微量或痕量DNA檢測(cè)和定量。

5、藥物篩選。

藥物篩選是現(xiàn)代藥物開發(fā)過程中測(cè)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(tǒng)接近生物體液組成而成為一種非常有潛力的藥物和先導(dǎo)化合物的高效篩選工具。

該平臺(tái)可集成256個(gè)或細(xì)胞培養(yǎng)腔微陣列，改變常規(guī)的細(xì)胞培養(yǎng)方法，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞藥物篩選的高通量化；芯片微納升級(jí)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(shè)計(jì)的二維結(jié)構(gòu)或三維微結(jié)構(gòu)區(qū)域可產(chǎn)生較低的剪切力，在腔室內(nèi)形成濃度梯度，進(jìn)而對(duì)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(yàn)細(xì)胞培養(yǎng)、藥物效果檢測(cè)等多個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)藥物篩選的自動(dòng)分析。

近年來，微流控技術(shù)發(fā)展迅速，芯片集成的單元部件越來越多，集成規(guī)模也越來越大。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(yī)學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用提供了強(qiáng)大的平臺(tái)。

雖然有那么多令人興奮和引人注目的發(fā)展，但我們?nèi)悦媾R著微流體領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在理論研究理念和解決現(xiàn)實(shí)世界問題的實(shí)際技術(shù)之間的轉(zhuǎn)變上。所以，今后，我們還是要把精力放在基礎(chǔ)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(yīng)用，特別是在高通量領(lǐng)域的應(yīng)用。認(rèn)為微流控制產(chǎn)品很快就會(huì)陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng)，對(duì)人類生命健康發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到重要作用。