微流控技術(shù)簡(jiǎn)介

微流控（Microfluidics）指的是使用微管道（尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米）處理或操縱微小流體（體積為納升到阿升）的系統(tǒng)所涉及的科學(xué)和技術(shù)，是一門涉及化學(xué)、流體物理、微電子、新材料、生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程的新興交叉學(xué)科。因?yàn)榫哂形⑿突?、集成化等特征，微流控裝置通常被稱為微流控芯片，也被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab on a Chip）和微全分析系統(tǒng)（micro-Total Analytical System）。微流控的早期概念可以追溯到19世紀(jì)70年代采用光刻技術(shù)在硅片上制作的氣相色譜儀，而后又發(fā)展為微流控毛細(xì)管電泳儀和微反應(yīng)器等。微流控的重要特征之一是微尺度環(huán)境下具有*的流體性質(zhì)，如層流和液滴等。借助這些*的流體現(xiàn)象，微流控可以實(shí)現(xiàn)一系列常規(guī)方法所難以完成的微加工和微操作。目前，微流控被認(rèn)為在生物醫(yī)學(xué)研究中具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景。

特征流體現(xiàn)象

流體在微流控的微通道中的行為與其在宏觀尺度通道中不同，這些流體行為（現(xiàn)象）不僅是微流控的重要特征和標(biāo)志，還是方便、*的技術(shù)手段。主要的流體現(xiàn)象有層流和液滴。

層流

層流與湍流相對(duì)應(yīng)，是指流體的層狀流動(dòng)，其流線與管壁相互平行。在粘性力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于慣性力，或雷諾數(shù)（Reynold number）小于3000時(shí)，層流就會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)幾相不同顏色的流體從不同的入口進(jìn)入同一個(gè)微通道時(shí)，即使它們互溶，也會(huì)形成層次分明的多相平行流動(dòng)。利用層流的這種幾何規(guī)律性，可以實(shí)現(xiàn)材料、化學(xué)環(huán)境和細(xì)胞在微通道中的有序排布。另外，在層流情況下，湍流基本消失，分子擴(kuò)散將成為微尺度下傳質(zhì)的主要途徑。由于擴(kuò)散速率與分子自身的特性有關(guān)，利用分子在微通道中的不同擴(kuò)散距離可以將不同的分子進(jìn)行分離。也因?yàn)槿绱?，層流下的液體混合過程相對(duì)緩慢，但是，通過在微流控微通道中制作特殊結(jié)構(gòu)，如不對(duì)稱魚骨狀的突起，可以加快傳質(zhì)過程和液體混合。

液滴

當(dāng)兩相不互溶的液體（油和水）在微流控通道中流動(dòng)時(shí)，在液/液界面張力和剪切力的作用下，其中一相流體會(huì)形成高度均一的間斷流，即液滴。在乳液制備的方法中，如果說(shuō)基于攪拌的方法是自上而下的，那么微流控則是自下而上的方法。微流控能夠以非常高的通量制備高度單分散性的液滴乳液。常見的微通道結(jié)構(gòu)為T型和ψ型。在某些情況下，含有不同高分子聚合物的水相液體在微流控通道中也會(huì)形成不互溶的液滴。

材料和微加工方法

制作微流控芯片的主要材料有硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和紙基等。其中PDMS的使用范圍。這種材料不僅加工簡(jiǎn)單、光學(xué)透明，而且具有一定的彈性，可以制作功能性的部件，如微閥和微蠕動(dòng)泵等。PDMS微閥的密度可以達(dá)到30個(gè)/cm。但是PDMS材料容易吸附疏水性小分子，導(dǎo)致背景升高和檢測(cè)偏差。為了克服非特異性吸附的問題，表面惰性且抗黏附的聚四氟乙烯材料開始被用于制作微流控芯片。紙基通常指的具有三維交錯(cuò)纖維結(jié)構(gòu)的薄層材料，但是硝酸纖維素膜一般也常用于紙基微流控芯片的制作。因?yàn)榧埢哂袃r(jià)格便宜、比表面積大和親水毛細(xì)作用力等特點(diǎn)，通過結(jié)合疏水性圖案化和縱向堆積等步驟，具有多元檢測(cè)和多步操作集成等優(yōu)點(diǎn)，非常適合制作便攜易用的微流控芯片。

不同的材料特性決定了不同的微加工方法。但是微流控芯片zui主要的加工方法是來(lái)自于微電子行業(yè)的光刻技術(shù)和來(lái)自于表面圖案化的軟光刻技術(shù)。在上述兩種技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了制作完整的微流控微通道，一般還需要對(duì)兩片材料進(jìn)行鍵合。玻璃和硅片等材料通過高溫、高壓或高電壓等方法鍵合，而PDMS材料通過氧等離子處理進(jìn)行鍵合。

重要應(yīng)用

除了有機(jī)合成、微反應(yīng)器和化學(xué)分析等，微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。目前，兩個(gè)重要的應(yīng)用方向是臨床診斷儀器和體外仿生模型。

臨床診斷

微流控檢測(cè)芯片一般具有樣品消耗少、檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)便、多功能集成、體小和便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，因此特別適合發(fā)展床邊（POC）診斷，具有簡(jiǎn)化診斷流程、提高醫(yī)療結(jié)果的巨大潛力。

體外模型

利用仿生微結(jié)構(gòu)和水凝膠等生物材料，微流控芯片非常適合在體外實(shí)現(xiàn)組織和器官水平的生理功能，被稱為“器官芯片”(Organs-on-Chips)。這樣可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)兩維細(xì)胞培養(yǎng)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的不足，可以動(dòng)態(tài)操控和實(shí)時(shí)觀察重要的生理病理過程，提高疾病的研究水平和藥物的研發(fā)效率。目前已經(jīng)針對(duì)肺、腸、心、腎和骨髓等器官的重要特征建立了相應(yīng)的微流控體外仿生芯片。在組織和器官水平研究單個(gè)基因或信號(hào)通路的功能已經(jīng)成為系統(tǒng)生物學(xué)研究*的重要步驟。

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