Development and application of microfluidic technology

微流控技术是一种用于控制极微量液体(10-9~10-18L)的新型技术平台。微流控技术广泛应用于生物问题研究，其主要特点和优点是将细胞培养、实验处理、成像、检测等步骤高度集成到芯片上。

微流控技术问世至今，已有近30年的历史，但其发展迅速，被称为下一代医学诊断的颠覆性技术。本文将从微流控技术发展的重要时间节点、开发微流量控制芯片需要考虑的主要因素和流行应用领域三个方面简要介绍微流控技术。

微流控技术发展的重要时刻：

1.90年代。

Manz、Harison等人开展了初期的芯片电泳研究，提出了微-全分析系统(μ-TAS)的概念。

2.1994

在Manz的研究基础上，Ramsy改进了芯片毛细管电泳取样方法，提高了其性能。同年，首届微型TAS会议在荷兰召开。

3.1995

第一家从事的Caliper公司成立，相关企业的微流控制技术研究开发也很紧密。

4.1998

Whiteside提出了用PDMS制作芯片的快速模板复制方法。

5.1999

Agilent和Caliper公司联合推出了首款微流控芯片商业化仪器，最早应用于生物分析和临床分析领域。

6.2000

软光刻实现芯片上的微阀和微泵。

7.2001

创建期刊LabonaChip，专门收录微流控技术研究文章。

8.2002

微流量控制芯片的大规模集成实现。

9.2003

Forbes杂志将列为未来15年影响人类最大的发明之一。

10.2004

Bussiness2.0杂志称为改变未来的7种技术。

开发微流控芯片应考虑的因素。

为了能控制10-9~10-18L的极微量液体，那么作为装载芯片的精度到底有多高啊！一个芯片从加工到最终成型都要经过哪些步骤？每个步骤应该考虑哪些技术问题？跟小编一起来看看吧！

一、微流控芯片加工。

这个步骤需要考虑结构，成本，管道尺寸，是否可以批量生产等等。当前的技术包括：

光刻技术、热压、成型、注塑、LIGA(集光刻、电铸、成型)、激光烧蚀、软光刻。

二、微流控芯片封装。

这个步骤需要考虑的问题有：高温性能退化，常温老化，选点密封还是表面密封，是否堵塞管道，是否能量产。当前的技术主要有：

Plasma/电离超声波焊接，激光焊接，热压键合等。

三、微流控制流体驱动。

这一步需要考虑的主要有泵和阀门，包括选择主动型还是被动型，是否稳定可靠。另一方面，需要考虑流体宽度、深度、空腔大小、定量分析或定性分析。目前的驱动方法主要有:

光控、电驱动、磁场、挤压气泡、膜振动、泵推、离心力、剪切力。

四、气溶胶污染设计。

这个步骤需要考虑选择哪种材料或方法来尽量减少气溶胶的污染。现有的方法如下：

密封反应系统后扩、全密封系统、硅油密封、样品添加后，密封样品孔、扣结构、手工密封。

五、仪器信号检测。

采集微流控液滴信号，主要技术包括:

可视化阅读、电信号阅读和扩展曲线。

六、配套软件系统。

一个好的微流控制系统光有芯片是不够的，还需要一个简单实用的软件系统，这样可以大大提升用户的体验哦。

热门应用领域：

1.IVD(体外诊断)

微流量控制芯片IVD产品在某些方面具有颠覆性优势，必将发展成为主流的体外检测技术。

1.1器官芯片。

器官芯片是指在微流控制芯片平台上模拟器官功能的科学技术，是2016年世界达沃斯论坛评选的十大新技术之一。其主要目标是通过在芯片上模拟生物环境，培养细胞、组织和器官，研究和控制细胞在体外培养过程中的生物行为，从而实现模拟生物环境的器官移植和药物评价。器官芯片是一个复杂的系统，目前有肾脏芯片、肝脏芯片、胰岛芯片、肠芯片、血管糖鄂芯片、肿瘤新产品等临床应用。

1.2液体活检。

以循环性肿瘤细胞CTC检测为例，在肿瘤分期检测、动态检测、疗效评估、药物开发和预后检测等方面具有重要意义，是替代肿瘤组织活检的一种新型液体活检技术。然而，依靠单一上皮抗体的CTC免疫收集和技术方法，不能全面捕获不同类型的CTC，难以无损释放CTC，不能提供深度分子病理信息。通过微流控制技术，可以获得多亲和力、高特异性的核酸序列，可以通过构建微流控制微柱阵列芯片来实现CTC的高效捕捉和无损释放。该方法在癌症的准确诊断、用药指导和疗效评价方面具有重要的应用前景。

2.环境与生化分析。

将移动集成阀集成到芯片上，构建旋转分析平台，通过旋转阀控制通道之间的连接和断开，实现对流体的控制。结合酶联比色免疫分析和芯片，构建基于微流控制芯片的比色免疫传感器，根据显色信号的强度定量分析污染物浓度。该方法可分析多种环境污染物，操作简单，集成度高，发展潜力大。

3.单细胞分析。

细胞是生命存在的基础，探索生命健康和疾病往往需要细胞研究。由于细胞和细胞的不同，群体细胞的研究结果只能得到一群细胞的平均值，这往往会掩盖个体差异信息。微流控芯片为细胞生物功能研究提供了新的思路。

4.核酸分析。

微流控芯片技术用于PCR扩展和相关检测，可以简化操作步骤，显著提高检测效率。在这方面，基于的微液滴数字PCR(ddH2O)是一个成功的例子。数字PCR是一种新的核酸检测和定量方法。借助微液滴或微坑，通过单个模板分子的PCR扩展，可以实现不依赖标准曲线和参考样本的准确绝对定量。数字PCR使反应更加敏感，结果更加可靠，显示更加直观，特别适合微量或痕量DNA检测和定量。

5、药物筛选。

药物筛选是现代药物开发过程中测试和获得特定生理活性化合物的一步。微流控芯片技术因其样品消耗小、速度快、柱效高、所用溶液系统接近生物体液组成而成为一种非常有潜力的药物和先导化合物的高效筛选工具。

该平台可集成256个或细胞培养腔微阵列，改变常规的细胞培养方法，实现细胞药物筛选的高通量化；芯片微纳升级体积大大降低了试剂消耗，降低了药物筛选成本；微流控芯片设计的二维结构或三维微结构区域可产生较低的剪切力，在腔室内形成浓度梯度，进而对药物进行毒性分析；微流控芯片集成化十分明显，将药物合成分离富集、实验细胞培养、药物效果检测等多个步骤，实现药物筛选的自动分析。

近年来，微流控技术发展迅速，芯片集成的单元部件越来越多，集成规模也越来越大。同时，微流量控制芯片可以大量平行处理样品，具有通量高、分析速度快、物质消耗低、污染小的特点，为材料、化学、生命科学、生物医学等领域的基础和应用提供了强大的平台。

虽然有那么多令人兴奋和引人注目的发展，但我们仍面临着微流体领域的挑战，主要体现在理论研究理念和解决现实世界问题的实际技术之间的转变上。所以，今后，我们还是要把精力放在基础研究上，促进该领域的发展，但同时也要重视微流体技术的应用，特别是在高通量领域的应用。认为微流控制产品很快就会陆续进入市场，对人类生命健康发展和生态环境保护起到重要作用。