微流控技術

基本介紹

• 中文名：微流控
• 外文名：Microfluidics

定義

微流控（Microfluidics）指的是使用微管道（尺寸為數十到數百微米）處理或操縱微小流體（體積為納升到阿升）的系統所涉及的科學和技術，是一門涉及化學、流體物理、微電子、新材料、生物學和生物醫學工程的新興交叉學科。因為具有微型化、集成化等特徵，微流控裝置通常被稱為微流控晶片，也被稱為晶片實驗室（Lab on a Chip）和微全分析系統（micro-Total Analytical System）。微流控的早期概念可以追溯到19世紀70年代採用光刻技術在矽片上製作的氣相色譜儀，而後又發展為微流控毛細管電泳儀和微反應器等。微流控的重要特徵之一是微尺度環境下具有獨特的流體性質，如層流和液滴等。藉助這些獨特的流體現象，微流控可以實現一系列常規方法所難以完成的微加工和微操作。目前，微流控被認為在生物醫學研究中具有巨大的發展潛力和廣泛的套用前景。

特徵流體現象

流體在微流控的微通道中的行為與其在巨觀尺度通道中不同，這些流體行為（現象）不僅是微流控的重要特徵和標誌，還是方便、獨特的技術手段。主要的流體現象有層流和液滴。

層流

層流與湍流相對應，是指流體的層狀流動，其流線與管壁相互平行。在粘性力遠遠大於慣性力，或雷諾數（Reynold number）小於3000時，層流就會出現。當幾相不同顏色的流體從不同的入口進入同一個微通道時，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律性，可以實現材料、化學環境和細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，分子擴散將成為微尺度下傳質的主要途徑。由於擴散速率與分子自身的特性有關，利用分子在微通道中的不同擴散距離可以將不同的分子進行分離。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製作特殊結構，如不對稱魚骨狀的突起，可以加快傳質過程和液體混合。

液滴

當兩相不互溶的液體（油和水）在微流控通道中流動時，在液/液界面張力和剪下力的作用下，其中一相流體會形成高度均一的間斷流，即液滴。在乳液製備的方法中，如果說基於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製備高度單分散性的液滴乳液。常見的微通道結構為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

製作微流控晶片的主要材料有矽片、玻璃、聚二甲基矽氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和紙基等。其中PDMS的使用範圍最為廣泛。這種材料不僅加工簡單、光學透明，而且具有一定的彈性，可以製作功能性的部件，如微閥和微蠕動泵等。PDMS微閥的密度可以達到30個/cm。但是PDMS材料容易吸附疏水性小分子，導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於製作微流控晶片。紙基通常指的具有三維交錯纖維結構的薄層材料，但是硝酸纖維素膜一般也常用於紙基微流控晶片的製作。因為紙基具有價格便宜、比表面積大和親水毛細作用力等特點，通過結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點，非常適合製作便攜易用的微流控晶片。

不同的材料特性決定了不同的微加工方法。但是微流控晶片最主要的加工方法是來自於微電子行業的光刻技術和來自於表面圖案化的軟光刻技術。在上述兩種技術的基礎上，為了製作完整的微流控微通道，一般還需要對兩片材料進行鍵合。玻璃和矽片等材料通過高溫、高壓或高電壓等方法鍵合，而PDMS材料通過氧等離子處理進行鍵合。

重要套用

除了有機合成、微反應器和化學分析等，微流控技術在生物醫學領域發揮了越來越重要的作用。目前，兩個重要的套用方向是臨床診斷儀器和體外仿生模型。

臨床診斷

微流控檢測晶片一般具有樣品消耗少、檢測速度快、操作簡便、多功能集成、體小和便於攜帶等優點，因此特別適合發展床邊（POC）診斷，具有簡化診斷流程、提高醫療結果的巨大潛力。

體外模型

利用仿生微結構和水凝膠等生物材料，微流控晶片非常適合在體外實現組織和器官水平的生理功能，被稱為“器官晶片”(Organs-on-Chips)。這樣可以彌補傳統兩維細胞培養和動物實驗的不足，可以動態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效率。目前已經針對肺、腸、心、腎和骨髓等器官的重要特徵建立了相應的微流控體外仿生晶片。在組織和器官水平研究單個基因或信號通路的功能已經成為系統生物學研究不可或缺的重要步驟。