微流控是一個越來越多地出現(xiàn)在論文和科學雜志上的術(shù)語；但是，微流控究竟是什么？

事實上，微流控既指科學，也指技術(shù)。微流控基本上是在微米級對流體的操縱，這意味著其具有非常小的占地面積。

微流控的根源可以在三個主要的不同領(lǐng)域找到：微觀分析、生物防御和微電子。微流控學最初被應用于微生物學，是作為一種分析工具，因為它可以對非常小體積的樣品和試劑進行操作，這是微分析的一個引人注目的特點。此外，在一個小而便宜的設備中實現(xiàn)多種功能的可能性，極大地增加了微流控在這一領(lǐng)域的受歡迎程度。此外，與許多其他科學領(lǐng)域一樣，基于軍事目的的研究刺激了微流控技術(shù)的發(fā)展，將其作為防御潛在生物武器威脅的工具。第三個領(lǐng)域來自微電子。事實上，光刻技術(shù)和微電子中使用的相關(guān)制造技術(shù)在微流控應用的初期就得到了高度應用，就像硅和玻璃作為原材料一樣。然而，后者很快就被聚合物取代了，因為聚合物的成本更低，其生物相容性和物理特性更高。事實上，與塑料相比，硅尤其昂貴，對可見光和紫外線輻射不透明，而且是剛性的，這使得控制單元（如泵和閥門）的實施更加困難。另外，硅和玻璃都不透氣，不適合研究活細胞。

本篇文章的目的是解釋為什么微流控正成為如此重要的領(lǐng)域，從它為研究人員提供的許多優(yōu)勢的物理原理開始，并以它在生物學中的重要應用結(jié)束。

微流控理論原理

微流控背后的基本思想是在一個微型設備中實現(xiàn)過去需要整個實驗室的操作。這個概念在科學上并不新穎，事實上，正是這種需求鼓勵科學家追求微電子的挑戰(zhàn)。由于微電子是微米以下電子元件的科學和工程，微流控本質(zhì)上是一個致力于“微型管道和流體操縱”的領(lǐng)域。然而，兩者之間有很大的區(qū)別：在微流控中，基本物理隨著系統(tǒng)的尺寸尺度變化得更快。事實上，盡管現(xiàn)代微電子器件已經(jīng)達到了納米級，但它們內(nèi)部的電子與宏觀世界的行為方式相同。另一方面，微流控裝置的微通道內(nèi)的流體在這種規(guī)模上獲得了新的特征。最重要的例子之一是層流，即與粘度相關(guān)的影響比慣性影響更重要的狀態(tài)。基本上，這意味著，如果你在游泳池中游泳，突然停止運動，你的運動會持續(xù)一段時間，而如果你的游泳池是微米級的，你會立即停止。層流對微流控設備中流體的處理方式有幾個影響。事實上，在這種情況下，流體僅通過擴散混合，這是一種相當緩慢的機制，并使微流控設備內(nèi)的反應更難實現(xiàn)。

這種規(guī)模的流體物理可能非常復雜，因為幾種現(xiàn)象同時發(fā)生，因此通常使用一些參數(shù)來表示其中哪一種占主導地位。到目前為止，這些參數(shù)中引用最多的是雷諾數(shù)Re。這個參數(shù)是由慣性力與粘性力的比值給出的。因此，低雷諾數(shù)（<2000）表示層流狀態(tài)，而高雷諾數(shù)（>3000）表示湍流。還有其他幾個參數(shù)，例如Péclet數(shù)，它給出了對流和擴散之間的比率。

為了描述流體的運動，重要的是要考慮到這些物體是連續(xù)材料這一事實。因此，質(zhì)量和力等特性必須用它們的“連續(xù)對應物”來代替，即密度ρ和力f，它們是按單位體積定義的。在實踐中，為了評估整個系統(tǒng)的行為，可以將后者劃分為幾個無窮小的流體單元，并評估作用在其中一個單元上的力。隨后，根據(jù)這些信息，可以推斷出系統(tǒng)的平均特性。基本上，作用在每個流體元件上的力是由于其表面上的流體應力和施加在元件主體上的外力f引起的。如果流體是牛頓流體，即其粘度不隨速度變化，則由此產(chǎn)生的速度場u由Navier-Stokes方程決定。這個方程只是牛頓第二定律的連續(xù)形式：

如前所述，在微流控中，與粘性力相比，慣性力的影響可以忽略不計；從而可以忽略先前方程中的非線性項。然而，值得注意的是，Navier-Stokes方程也只能在少數(shù)特定情況下解析求解。

微流控材料

多年來，玻璃、硅和聚合物等多種材料已被用于制造微流控裝置。顯然，不存在“完美”材料這回事，因為它們在微流控中使用時都有一些優(yōu)點和缺點。最終，是實際應用引導研究人員進行選擇。在本章中，將簡要回顧微流控中最常見的材料。

用于微流控應用的聚合物

聚合物材料由于其良好的生物化學性能和低成本而被廣泛應用于微流控器件的制造。其中，最常用的是PDMS。這種材料可以作為添加劑（E900）出現(xiàn)在食品、化妝品和潤滑油中。使PDMS成為一種非常好的芯片制造材料的原因有幾個，主要總結(jié)如下：

1.透明度：可以直接看到微通道及其內(nèi)部；

2.彈性：PDMS具有相當?shù)膹椥?，這種特性可用于各種應用，例如通過通道變形實現(xiàn)閥門集成；

3.成本：PDMS比用于微流控芯片制造的其他材料便宜得多；

4.滲透性：PDMS具有氣體滲透性，可用于細胞培養(yǎng)、氣體傳感器等。

當然，使用PDMS進行微流控芯片制造也存在缺點。一些例子是：多年來材料的老化限制了芯片的性能，以及與許多有機溶劑的化學兼容性差，這使得PDMS主要適用于水性應用。PDMS微流控設備的另一個缺點是不可能在芯片內(nèi)實現(xiàn)電極，即使這可以通過將電極放在玻璃蓋玻片中而不是芯片本身來解決。如上所述，雖然PDMS允許快速而容易地制造微流控芯片，但它有各種缺點，阻礙了它在某些應用中的使用。為了消除這些缺點，但仍然受益于廉價和快速的生產(chǎn)，其他聚合物可以用于構(gòu)建微流控裝置。

用于微流控芯片的另一種聚合物是聚苯乙烯（PS），它是在細胞培養(yǎng)皿的藥物研究中標準使用的聚合物。PS是光學透明的、生物相容的、惰性的、剛性的，并且其表面可以容易地功能化。此外，通過各種物理和化學方法，包括：電暈放電、氣體等離子體和輻照，可以很容易地使其疏水表面成為親水性的。其他經(jīng)常用于微流控裝置的聚合物是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）。PC表現(xiàn)出比PMMA更好的耐熱性，因此它可以在更寬的溫度范圍內(nèi)使用。PMMA是一種與PDMS相比變形較小的彈性體，因此在需要剛性時使用，例如用于微閥的管道化構(gòu)造。

微流控芯片用熱固性塑脂

熱固性樹脂的名稱表示那些通過化學鍵連接在一起的聚合物。這種方法使它們具有高度交聯(lián)的聚合物結(jié)構(gòu)，這是這些材料的高機械和物理強度的原因，但與熱塑性材料和彈性體相比彈性較差。熱固性材料的主要特性是：不熔化，不與某些溶劑溶脹，不溶性和高抗蠕變性。用于微流控應用的最常用的熱固性材料之一是熱固性聚酯（TPE）。在TPE微流控芯片制造中使用的程序與PDMS所使用的程序非常相似，除了以下事實之外：首先使用UV光使TPE半固化，從主模中移除，然后允許相對于第二個半固化的TPE片完全固化，以獲得最終的結(jié)合通道。

使用熱固性材料的優(yōu)點在于低成本、方便快速的芯片制作及其在可見光范圍內(nèi)的高透明度。此外，熱固性材料通常與非極性溶劑相容，這反而導致基于PDMS的微流控芯片的溶脹。另一方面，與PDMS芯片相比，使用熱固性微流控裝置存在一些缺點，因為熱固性材料不是彈性體。當固化時，它們會變成硬質(zhì)材料，因此，它們需要不同于PDMS所用的流體互連器。最后，熱固性材料不透氣，因此這并不能使其成為細胞長期應用（如細胞培養(yǎng)）的良好材料。

硅和玻璃微流控芯片

最早用于微流控的材料之一是硅。這一原因取決于第一批微流控芯片與微電子行業(yè)之間的深層聯(lián)系，在微電子行業(yè)，硅過去是，現(xiàn)在仍然是最常用的材料之一。硅在微流控應用中的優(yōu)勢在于其導熱性、表面穩(wěn)定性和溶劑兼容性。硅微流控芯片的主要缺點是其在可見電磁范圍內(nèi)的光學不透明性，這使得光學檢測變得不可能。微流控芯片制造中的另一種先驅(qū)材料是玻璃。這種材料具有與硅相同的上述優(yōu)點。特別是，其眾所周知的表面化學性質(zhì)、優(yōu)異的光學透明度和優(yōu)異的耐高壓性使其成為許多應用的最佳選擇。玻璃還具有生物相容性、化學惰性、親水性，并允許高效涂層。玻璃微流控芯片的主要缺點是原材料成本較高。

紙基微流控芯片

紙張也被認為是微流控芯片制造的潛在材料。主要原因是紙張是一種非常便宜的原材料。然而，將紙張用于微流控設備應用的優(yōu)勢不僅僅是極低的成本。事實上，紙張薄而輕，易于儲存、操作和運輸。此外，它與生物樣品相容，并且可以進行化學處理以與分子或蛋白質(zhì)結(jié)合。最重要的是，紙張在使用后易于處理，這使其成為一種非常環(huán)保的微流控芯片材料。

使用基于紙張的微流控設備時的主要缺點是難以在芯片上形成通道圖案。事實上，是沒有一種“完美”的模式化方法，因為每種方法都意味著成本、便利性和分辨率之間的權(quán)衡，必須根據(jù)具體情況進行評估。

水凝膠微流控芯片

水凝膠是由分散在水中的聚合物分子鏈組成的膠體。用于制備水凝膠的一種常見聚合物是聚丙烯酸鈉。它們在微流控設備中的應用取決于它們對生物實驗的適用性：事實上，它們是很好的擴散基質(zhì)，因為大多數(shù)細胞營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子都可以在水凝膠中擴散。事實上，已知大多數(shù)溶質(zhì)在瓊脂糖凝膠（一種用于微流控芯片的常見水凝膠）中的擴散性與在水中的擴散性非常接近。水凝膠具有很強的延展性，可以在其上成型各種特征設計和尺寸。此外，水凝膠是商用的，對細胞無毒、成本低、效益高。

微流控應用

在本章中，將概述一些相關(guān)的微流控應用。本篇文章將特別關(guān)注微流控的生物醫(yī)學應用。

秀麗隱桿線蟲固定化

微流控應用多年來，微流控在生命科學中的應用越來越頻繁。事實上，利用微流控設備，研究人員已經(jīng)能夠促進他們在多個領(lǐng)域的研究。接下來將介紹一些相關(guān)的應用實例，其中微流控或可能提供顯著的性能提升。

在這方面，最好的例子之一是微流控設備在秀麗隱桿線蟲活體成像中的應用。秀麗隱桿線蟲是一種在生物學中發(fā)揮重要作用的線蟲，盡管它是一種非常簡單的生物，但它有一個神經(jīng)系統(tǒng)。由于這種特性及其獨特的透明度，秀麗隱桿線蟲成為活細胞成像的絕佳選擇。然而，為了能夠獲得高分辨率的圖像，有一個大問題需要克服：線蟲的固定。因為線蟲偶然的運動會產(chǎn)生偽影或失焦圖像，這會嚴重影響觀察結(jié)果。

傳統(tǒng)的固定方法包括使用膠水或藥物，這意味著它們要么不可逆轉(zhuǎn)，要么可能對線蟲造成傷害。此外，使用這些方法，研究人員需要花費很長時間來制備樣本，并且只能處理少量樣本。

微流控可以解決這些問題，因為它能夠無損傷地捕獲大量線蟲，并在同一平臺（即微流控設備）中操縱它們。近年來，已經(jīng)開發(fā)了幾種微流控應用來實現(xiàn)秀麗隱桿線蟲的固定化。最值得注意的是使用了不同的“固定劑”，如冷卻、壓縮、限制和凝膠化。

pH控制

微流控應用主要的微流控應用之一是所謂的芯片上實驗室，其目的是將整個實驗室的所有功能集成在一個微流控芯片中。例如，在細胞生物學中，研究人員能夠在微流控設備中培養(yǎng)他們的細胞，并有可能注射藥物，并在細胞基礎(chǔ)上實時觀察樣本的反應。在這方面，已經(jīng)深入探討了完全控制周圍環(huán)境的可能性。到目前為止，最需要解決的參數(shù)是pH，因此許多微流控應用都致力于實現(xiàn)這一目標。最常見的技術(shù)是在微流控設備中實現(xiàn)固態(tài)傳感器，例如電解質(zhì)絕緣體半導體（EIS）或離子選擇場效應晶體管（ISFET），以進行pH水平的實時和高精度測量。此外，還可以對閥門和儲液器實施系統(tǒng)，以根據(jù)培養(yǎng)室中發(fā)生的環(huán)境變化來調(diào)節(jié)pH水平。

給藥

微流控應用于當今藥物開發(fā)的主要挑戰(zhàn)之一是減少所謂的“藥物路徑”，即從給藥點到反應區(qū)域的距離。事實上，在過去的幾年里，藥物發(fā)現(xiàn)取得了重大進展，每年都會發(fā)現(xiàn)新的、更有效的化合物。

微流控技術(shù)可以幫助藥物行業(yè)開發(fā)和管理藥物。事實上，芯片實驗室的新設計正在為研究人員提供藥物合成和傳送的新平臺。此外，微流控還具有用于給藥的設備，這些設備便宜，對用戶友好且沒有副作用。

梯度生成

微流控應用化學梯度在許多生物過程中起著關(guān)鍵作用，并在體內(nèi)調(diào)節(jié)許多細胞功能。因此，很明顯，在體外重現(xiàn)這些條件在生命科學相關(guān)研究中至關(guān)重要。在這方面，微流控可以提供在空間和時間上重建甚至控制這些梯度的工具。在微流控中形成梯度的最常見方法是利用相鄰流動蒸汽之間的擴散混合。這是可能的，因為如前所述，由于通道的微觀尺寸，微流控流是層流的，因此擴散是唯一可能的混合機制。盡管很簡單，但通過擴散混合產(chǎn)生梯度確實有一些缺點。其中，最令人擔憂的是混合產(chǎn)生的潛在對流。研究人員已經(jīng)使用了幾種方法來克服這個問題，例如稱為“對流單元”的特設微通道。

檢驗

微流控應用微流控真正可以改進的領(lǐng)域之一是檢驗（POC）。這個名稱定義了在患者臨床上進行的醫(yī)學分析，事實上，POC也被稱為“床側(cè)測試”。微流控設備，特別是聚合物或紙基設備，具有一次性和廉價等特點，這是該領(lǐng)域的先決條件。事實上，微流控在POC中的應用已經(jīng)用于妊娠測試、HIV診斷、葡萄糖生物傳感器和藥物濫用篩查，即使這種設備仍然缺乏廣泛的應用。

然而，微流控的使用具有幾個優(yōu)點，例如快速性、吞吐量和最小的樣品消耗，這在POC應用中是至關(guān)重要的。此外，基于微流控的POC設備易于處理和制造，因此其應用在發(fā)展中國家特別有前景，因為發(fā)展中國家非常需要有效且廉價的醫(yī)療工具。

細胞分析

微流控應用微流控得到熱烈響應的另一個領(lǐng)域是細胞分析。事實上，在同一個小型化設備中，擁有細胞培養(yǎng)、分選和裂解模塊確實很有吸引力，因此許多研究人員正在朝著這個方向努力。基于微流控的裝置被廣泛應用于細胞分析中，其中需要精確的流動控制。此外，微流控裝置的應用允許提高靈敏度，因為整個測量系統(tǒng)的尺寸大大減小，與單個細胞的尺寸相當。微流控應用可以在細胞生物傳感器中找到，即利用不同刺激下的細胞生理反應的傳感器，例如毒素反饋。最后，微流控系統(tǒng)允許以高精度重建體外細胞-細胞、細胞-基質(zhì)和細胞-培養(yǎng)基的相互作用。

結(jié)論

微流控是一個發(fā)展迅速的領(lǐng)域，事實上，自其誕生以來，微流控在生命科學中的應用變得越來越重要。這一成功的原因是微米級流體具有獨特的化學和物理特征，與傳統(tǒng)的“宏觀”技術(shù)相比，這些特征具有很多優(yōu)勢。此外，微流控裝置通常易于使用和制造，而且成本很低。此外，在單個微流控芯片內(nèi)，可以實現(xiàn)用于流量控制的許多功能和部件，例如泵和閥。

在這篇簡短的文章中，概述了一些相關(guān)的微流控應用，以了解這項新科學如何幫助和推動生物學和醫(yī)學等領(lǐng)域的研究。