微流控技術發展及應用

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

微流控技術問世至今，已有近30年的歷史，但其發展迅速，被稱為下一代醫學診斷的顛覆性技術。本文將從微流控技術發展的重要時間節點、開發微流量控制芯片需要考慮的主要因素和流行應用領域三個方面簡要介紹微流控技術。

微流控技術發展的重要時刻：

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(μ-TAS)的概念。

2.1994

在Manz的研究基礎上，Ramsy改進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會議在荷蘭召開。

3.1995

第一家從事的Caliper公司成立，相關企業的微流控制技術研究開發也很緊密。

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公司聯合推出了首款微流控芯片商業化儀器，最早應用于生物分析和臨床分析領域。

6.2000

軟光刻實現芯片上的微閥和微泵。

7.2001

創建期刊LabonaChip，專門收錄微流控技術研究文章。

8.2002

微流量控制芯片的大規模集成實現。

9.2003

Forbes雜志將列為未來15年影響人類最大的發明之一。

10.2004

Bussiness2.0雜志稱為改變未來的7種技術。

開發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啊！一個芯片從加工到最終成型都要經過哪些步驟？每個步驟應該考慮哪些技術問題？跟小編一起來看看吧！

一、微流控芯片加工。

這個步驟需要考慮結構，成本，管道尺寸，是否可以批量生產等等。當前的技術包括：

光刻技術、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。

這個步驟需要考慮的問題有：高溫性能退化，常溫老化，選點密封還是表面密封，是否堵塞管道，是否能量產。當前的技術主要有：

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。

這一步需要考慮的主要有泵和閥門，包括選擇主動型還是被動型，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。目前的驅動方法主要有:

光控、電驅動、磁場、擠壓氣泡、膜振動、泵推、離心力、剪切力。

四、氣溶膠污染設計。

這個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，主要技術包括:

可視化閱讀、電信號閱讀和擴展曲線。

六、配套軟件系統。

一個好的微流控制系統光有芯片是不夠的，還需要一個簡單實用的軟件系統，這樣可以大大提升用戶的體驗哦。

熱門應用領域：

1.IVD(體外診斷)

微流量控制芯片IVD產品在某些方面具有顛覆性優勢，必將發展成為主流的體外檢測技術。

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技術，是2016年世界達沃斯論壇評選的十大新技術之一。其主要目標是通過在芯片上模擬生物環境，培養細胞、組織和器官，研究和控制細胞在體外培養過程中的生物行為，從而實現模擬生物環境的器官移植和藥物評價。器官芯片是一個復雜的系統，目前有腎臟芯片、肝臟芯片、胰島芯片、腸芯片、血管糖鄂芯片、腫瘤新產品等臨床應用。

1.2液體活檢。

以循環性腫瘤細胞CTC檢測為例，在腫瘤分期檢測、動態檢測、療效評估、藥物開發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。然而，依靠單一上皮抗體的CTC免疫收集和技術方法，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，可以獲得多親和力、高特異性的核酸序列，可以通過構建微流控制微柱陣列芯片來實現CTC的高效捕捉和無損釋放。該方法在癌癥的準確診斷、用藥指導和療效評價方面具有重要的應用前景。

2.環境與生化分析。

將移動集成閥集成到芯片上，構建旋轉分析平臺，通過旋轉閥控制通道之間的連接和斷開，實現對流體的控制。結合酶聯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境污染物，操作簡單，集成度高，發展潛力大。

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，這往往會掩蓋個體差異信息。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。

微流控芯片技術用于PCR擴展和相關檢測，可以簡化操作步驟，顯著提高檢測效率。在這方面，基于的微液滴數字PCR(ddH2O)是一個成功的例子。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，通過單個模板分子的PCR擴展，可以實現不依賴標準曲線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，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發過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個或細胞培養腔微陣列，改變常規的細胞培養方法，實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生較低的剪切力，在腔室內形成濃度梯度，進而對藥物進行毒性分析；微流控芯片集成化十分明顯，將藥物合成分離富集、實驗細胞培養、藥物效果檢測等多個步驟，實現藥物篩選的自動分析。

近年來，微流控技術發展迅速，芯片集成的單元部件越來越多，集成規模也越來越大。同時，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、物質消耗低、污染小的特點，為材料、化學、生命科學、生物醫學等領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展，但我們仍面臨著微流體領域的挑戰，主要體現在理論研究理念和解決現實世界問題的實際技術之間的轉變上。所以，今后，我們還是要把精力放在基礎研究上，促進該領域的發展，但同時也要重視微流體技術的應用，特別是在高通量領域的應用。認為微流控制產品很快就會陸續進入市場，對人類生命健康發展和生態環境保護起到重要作用。