微流控技術(shù)簡介

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。因為具有微型化、集成化等特征，微流控裝置通常被稱為微流控芯片，也被稱為芯片實驗室（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

層流與湍流相對應(yīng)，是指流體的層狀流動，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，層流就會出現(xiàn)。當(dāng)幾相不同顏色的流體從不同的入口進(jìn)入同一個微通道時，即使它們互溶，也會形成層次分明的多相平行流動。利用層流的這種幾何規(guī)律性，可以實現(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。也因為如此，層流下的液體混合過程相對緩慢，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時，在液/液界面張力和剪切力的作用下，其中一相流體會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，如微閥和微蠕動泵等。PDMS微閥的密度可以達(dá)到30個/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。因為紙基具有價格便宜、比表面積大和親水毛細(xì)作用力等特點，通過結(jié)合疏水性圖案化和縱向堆積等步驟，具有多元檢測和多步操作集成等優(yōu)點，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自于微電子行業(yè)的光刻技術(shù)和來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)揮了越來越重要的作用。目前，兩個重要的應(yīng)用方向是臨床診斷儀器和體外仿生模型。

臨床診斷

微流控檢測芯片一般具有樣品消耗少、檢測速度快、操作簡便、多功能集成、體小和便于攜帶等優(yōu)點，因此特別適合發(fā)展床邊（POC）診斷，具有簡化診斷流程、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)和動物實驗的不足，可以動態(tài)操控和實時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基因或信號通路的功能已經(jīng)成為系統(tǒng)生物學(xué)研究*的重要步驟。

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