微流控技術(shù)（Microfluidics）是一種用來操縱極微量液體（10-9~10-18L）的新型技術(shù)平臺。微流控技術(shù)被廣泛應用于生物學問題研究，其主要特點和優(yōu)勢是將細胞培養(yǎng)、實驗處理及成像、檢測等步驟高度集成于一張芯片上。

微流控技術(shù)問世至今，不過近30年歷史，但其發(fā)展迅猛，被稱為下一代醫(yī)療診斷“顛覆性技術(shù)”。本篇文章將從微流控技術(shù)發(fā)展重要時間節(jié)點、開發(fā)微流控芯片需要考量的主要因素以及熱門應用領域三方面簡單介紹微流控技術(shù)。

微流控技術(shù)發(fā)展的重要時間節(jié)點

1. 20世紀90年代

Manz、Harison等人開展早期的芯片電泳研究，并提出了微-全分析系統(tǒng)（μ-TAS）的概念。

2. 1994

Ramsy等在Manz的研究基礎上，改進了芯片毛細管電泳進樣方法，提高了其性能，同年，首屆μ-TAS會議在荷蘭召開。

3. 1995

首家從事微流控技術(shù)的Caliper公司成立，相關企業(yè)微流控技術(shù)研發(fā)也在緊密進行。

4. 1998

Whiteside提出用PDMS制作芯片的快速模板復制法

5. 1999

HP（Agilent）和Caliper公司聯(lián)合推出首臺微流控芯片商品化儀器，最早應用于生物分析和臨床分析領域。

6. 2000

軟光刻實現(xiàn)芯片上微閥、微泵。

7. 2001

創(chuàng)辦期刊Lab on a Chip，專門用于收錄微流控技術(shù)研究類文章。

8. 2002

微流控芯片大規(guī)模集成實現(xiàn)。

9. 2003

微流控技術(shù)被Forbes雜志列為“未來15年內(nèi)影響人類最深“的發(fā)明之一。

10. 2004

微流控技術(shù)被Bussiness2.0雜志稱作“改變未來的7種技術(shù)”之一。

開發(fā)微流控芯片需要考量的因素

要能夠控制10-9~10-18L的極微量液體，那作為承載的芯片得是多么的精密呀！一塊芯片從加工到最后成型經(jīng)歷了哪些步驟呢？每一步要考慮哪些技術(shù)問題呢？跟著小編一起來看看吧。

1. 微流控芯片加工

這一步需考慮結(jié)構(gòu)、成本、管道尺寸、能否量產(chǎn)等問題。目前技術(shù)有：

光刻和刻蝕技術(shù)、熱壓法、模塑法、注塑法、LIGA法（集合光刻、電鑄和塑鑄）、激光燒蝕法、軟光刻

2. 微流控芯片封合

這一步需要考慮的問題有：高溫性能退化、常溫老化、選擇點密封還是面密封、是否堵塞管道以及能否量產(chǎn)的問題。目前技術(shù)主要有：

Plasma/電離化鍵合、貼膜法、超聲焊接、激光焊接、熱壓鍵合。

3. 微流控流體驅(qū)動

此步需要考慮的主要有泵、閥，包括是選擇主動型還是被動型，以及是否穩(wěn)定可靠等。另一方面需要考慮流體寬度、深度、腔室大小，采用定量分析還是定性分析等。目前驅(qū)動方法主要有：

光控法、電驅(qū)動、磁場法、擠壓囊泡、膜片震動、泵推、離心力、剪切力。

4. 氣溶膠污染設計

這一步驟需要考慮選擇什么材質(zhì)或者方法手段盡可能減少氣溶膠污染。目前可以采取的方法如下：

密封反應體系后擴增、全密封體系、硅油密封、加入樣本后，密封加樣孔、卡扣結(jié)構(gòu)，手工密封。

5. 儀器信號檢測

對微流控液滴信號進行采集，此處涉及到的主要技術(shù)有：

可視化讀出、電信號讀出和擴增曲線。

6. 配套軟件系統(tǒng)

當然，一個好的微流控系統(tǒng)光有芯片是不夠的，還需要一個簡單實用軟件系統(tǒng)，這樣可以大大提升使用者的體驗哦。

熱門應用領域

1. IVD（體外診斷）

微流控芯片IVD產(chǎn)品在某些方面具有顛覆性優(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

器官芯片是指在一塊微流控芯片平臺上模擬器官功能的一種科學技術(shù)，是2016世界達沃斯論壇評選的“十大新興技術(shù)”之一。其主要目標是通過在芯片上模擬生物體的環(huán)境，進行細胞、組織和器官培養(yǎng)，研究并控制細胞在體外培養(yǎng)過程中的生物學行為，從而實現(xiàn)模擬生物體環(huán)境的器官移植和藥性評價等。器官芯片使一個復雜的系統(tǒng)，目前已有腎芯片、肝芯片、胰島芯片、腸芯片、血管糖鄂芯片和腫瘤新品等的臨床應用。

1.2 液體活檢

以循環(huán)腫瘤細胞CTC檢測為例，其在腫瘤分期檢測、動態(tài)檢測、療效評估、藥物開發(fā)和預后檢測等方面具有重大意義，是一種可望用于替代腫瘤組織活檢的液體活檢新技術(shù)。然而，目前依賴于單一上皮源性抗體的CTC免疫富集及技術(shù)方法無法對不同分型的CTC進行全面的捕獲、難于無損釋放CTC、無法提供深度的分子病理信息。通過微流控技術(shù)，可以獲得多條可識別不同CTC的高親和力、高特異性的核酸序列，并且能夠通過構(gòu)建微流控微柱陣列芯片，實現(xiàn)CTC的高效捕獲與無損釋放。該方法在癌癥的精準診斷、用藥指導、療效評估方面具有重要的應用前景。

2. 環(huán)境和生化分析

將移動集成閥集成在芯片上，構(gòu)建旋轉(zhuǎn)分析平臺，通過旋轉(zhuǎn)閥控制通道間的鏈接與斷開實現(xiàn)對流體的控制。將此方法與酶聯(lián)比色免疫分析與芯片相結(jié)合，構(gòu)建基于微流控芯片比色免疫傳感器，根據(jù)顯色信號的強度，對污染物濃度進行定量分析。利用此方法可對多種環(huán)境污染物進行分析，且操作簡單、集成度高，具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3. 單細胞分析

細胞是生命存在的基礎，探索生命健康與疾病常需要以細胞研究為基礎。由于細胞與細胞之間存在差異，群體細胞的研究結(jié)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學功能研究提供了新思路。

4. 核酸分析

采用微流控芯片技術(shù)用于PCR擴增及相關檢測可簡化操作步驟及顯著提高檢測效率。在這方面，基于微流控技術(shù)的微液滴數(shù)字PCR（ddH2O）是一個成功的例證。數(shù)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擴增，可實現(xiàn)不依賴于標準曲線和參照樣本的準確、絕對定量。數(shù)字PCR使得反應更靈敏、結(jié)果更可靠、展示更直觀，尤其適用于微量或痕量DNA檢測與定量。

伯樂QX200 微滴式數(shù)字PCR系統(tǒng)

5. 藥物篩選

藥物篩選是現(xiàn)代藥物開發(fā)流程中測試和獲取特定生理活性化合物的一個步驟。微流控芯片技術(shù)由于具有樣品消耗量小、速度快、柱效高以及所用溶液體系較接近生物體液組成等特點，已經(jīng)成為一種非常具有潛力的藥物及先導化合物的高效篩選工具。

微流控芯片這個平臺可以集成256個或者細胞培養(yǎng)腔微陣列，改變細胞常規(guī)培養(yǎng)方法，實現(xiàn)細胞藥物篩選的高通量化；芯片微納升級體積大大減少了試劑消耗量，減低藥物篩選成本；微流控芯片設計的二維結(jié)構(gòu)或者三維微結(jié)構(gòu)區(qū)域可產(chǎn)生低剪切力，在腔室內(nèi)形成濃度梯度，進而對藥物進行毒性分析；微流控芯片集成化非常明顯，將藥物的合成分離富集、實驗細胞培養(yǎng)、藥物效果檢測等多個步驟集成于一張芯片，實現(xiàn)了藥物篩選的自動化分析。

結(jié)語

微流控技術(shù)近年來發(fā)展迅速，芯片集成的單元部件越來越多，且集成規(guī)模也越來越大，同時微流控芯片可以大量平行處理樣本，具有通量高、分析速度快、物耗低、污染小的特點，使之為材料學、化學、生命科學、生物醫(yī)學等領域的基礎與應用提供了一個有力的平臺。

盡管已經(jīng)有了這么多令人興奮和引人注目的發(fā)展，但是我們在微流體領域仍然面臨著挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在理論研究概念和解決現(xiàn)實世界問題的實際技術(shù)之間的轉(zhuǎn)化。因此，在未來，我們?nèi)匀粦搶⒕Ψ旁诨A研究上面，推動領域的發(fā)展，但是同時也要注重微流體技術(shù)的運用，尤其是在高通量領域的運用。相信不久，微流控產(chǎn)品將會相繼進入市場，為人類生命健康發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護起到重要的推動作用。