什么是微流體？它的未來(lái)是什么？

微流體技術(shù)是指在微觀尺寸下控制、操作和檢測(cè)復(fù)雜流體的技術(shù)，是在微電子、微機(jī)械、生物工程和納米技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門全新交叉學(xué)科。

在生物、化學(xué)、材料等科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要對(duì)流體進(jìn)行操作，如樣品DNA的制備、液相色譜、PCR反應(yīng)、電泳檢測(cè)等操作都是在液相環(huán)境中進(jìn)行。如果要將樣品制備、生化反應(yīng)、結(jié)果檢測(cè)等步驟集成到生物芯片上，則實(shí)驗(yàn)所用流體的量就從毫升、微升級(jí)降至納升或皮升級(jí)，這時(shí)功能強(qiáng)大的微流體裝置就顯得非常重要了。因此隨著生物芯片技術(shù)的發(fā)展，微流體技術(shù)作為生物芯片的一項(xiàng)關(guān)鍵支撐技術(shù)也得到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。

與微電子技術(shù)不同，微流體技術(shù)不強(qiáng)調(diào)減小器件的尺寸，它著重于構(gòu)建微流體通道系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的微流體操縱功能。與宏觀流體系統(tǒng)類似，微流體系統(tǒng)所需的器件也包括泵、閥、混合器、過(guò)濾器、分離器等。盡管與微電子器件相比，微通道的尺寸顯得相當(dāng)大，但實(shí)際上這個(gè)尺寸對(duì)于流體而言已經(jīng)是非常小。微通道中的流體流動(dòng)行為與人們?cè)谌粘Ｉ钪兴?jiàn)的宏觀流體流動(dòng)行為有著本質(zhì)的差別，因此微泵、微閥、微混合器、微過(guò)濾器、微分離器等微型器件往往都與相應(yīng)的宏觀器件差別甚大。

為了精準(zhǔn)設(shè)計(jì)微流體系統(tǒng)中所需的器件，首先要確定微通道中流體的流動(dòng)性質(zhì)。人們利用共焦顯微鏡成像技術(shù)可以方便地對(duì)微通道中的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行量化，達(dá)到了以往無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高分辨率。世界上first微流體器件由英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)（Imperial College）的曼齊（A． Manz）、美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的拉姆齊（M． Ramsey）等科學(xué)家在1990年代初研制成功。該器件是利用常規(guī)的平面加工工藝（光刻、腐蝕等）在硅、玻璃上制作的。盡管這種制作方法非常精密，但成本高，且不靈活，無(wú)法適應(yīng)研發(fā)需求。懷特賽茲（G． M． Whitesides）等人又提出一種“軟光刻"微加工方法，即在有機(jī)材料上印制、成型出微結(jié)構(gòu)，從而能方便地加工原型器件和專用器件。另外這個(gè)方法還能構(gòu)建出三維微通道結(jié)構(gòu)，并能在更高層次上控制微流體通道表面的分子結(jié)構(gòu)。

噴射是成熟的微流體技術(shù)，它使用直徑小于100微米的孔來(lái)產(chǎn)生微滴。這項(xiàng)技術(shù)可用于輸運(yùn)微反應(yīng)中的微量試劑，以及將微量DNA樣品分發(fā)到載體表面形成微陣列。

微流體是什么？

微流體系統(tǒng)是任何處理微量液體的設(shè)備。這些液體通過(guò)的通道比頭發(fā)還要細(xì)，微小的閥門可以開(kāi)啟和關(guān)閉流量。這些通道通常由玻璃、聚合物、紙或凝膠等材料制成。

要想使流體移動(dòng)，一種方法是使用機(jī)械泵；另一種方法是利用某些材料的表面電荷；當(dāng)然還有一種方法使用的是所謂毛細(xì)管作用 —— 更常見(jiàn)的是芯吸作用。芯吸是儲(chǔ)存在液體中的能量推動(dòng)液體通過(guò)狹窄空間的過(guò)程。

在微小的尺度內(nèi)，流體的運(yùn)動(dòng)方式并不直觀。 并不像我們常見(jiàn)的從花園水管或淋浴噴頭出來(lái)的湍流、混亂的水流。 相反，在狹窄的微通道容積中，流量異常穩(wěn)定。

流體會(huì)以有組織的平行流沿通道向下移動(dòng) —— 稱為層流。層流是微流體系統(tǒng)中的一大奇觀。層流中的流體和顆粒會(huì)遵循數(shù)學(xué)上可預(yù)測(cè)的路徑流動(dòng)，這是精密工程和醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)的條件。

這些對(duì)研究人員具有啟發(fā)意義的過(guò)程，在自然界中存在了千百萬(wàn)年。植物利用毛細(xì)作用將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從根部輸送到高的樹枝上，這就是自動(dòng)供電的微流體電路的靈感來(lái)源。

化學(xué)家們模仿雨滴的物理特性，設(shè)計(jì)了一種設(shè)備，將樣本分解成數(shù)百萬(wàn)個(gè)液滴，并以令人眼花繚亂的速度對(duì)其進(jìn)行分析。每個(gè)液滴本質(zhì)上都是一個(gè)微型的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)家們可以研究生物分子的進(jìn)化，并進(jìn)行超快的遺傳分析等等。

就連人體的每個(gè)角落都是微流體的。如果沒(méi)有復(fù)雜的毛細(xì)/血管為每個(gè)細(xì)胞輸送食物、氧氣和信號(hào)分子，我們就不可能出生或正常生活。

微型科技的好處

就像微電子學(xué)一樣，尺寸是微流體的關(guān)鍵。

隨著元件變得越來(lái)越小，設(shè)備可以在很小的尺度上依賴于液體的奇怪特性，可以更快、更有效地操作，而且制造成本更低。現(xiàn)在，微流體已經(jīng)悄悄地搭上了電子產(chǎn)品的順風(fēng)車。

微流體裝置的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，它們只需要非常少量的液體，因此尺寸可以很小。

技術(shù)、生物和醫(yī)學(xué)中的微流體學(xué)

實(shí)際上，你在生活中會(huì)經(jīng)常使用微流體。噴墨打印機(jī)能噴出微小的墨滴；3D打印機(jī)通過(guò)微流體噴嘴擠出熔融聚合物；鋼筆和圓珠筆中的墨水是通過(guò)微流體原理流動(dòng)的；哮/喘患者的噴霧器可以噴射出微小的藥液滴；懷孕測(cè)試依賴于尿液在微流體紙條中的流動(dòng)。

在科學(xué)研究中，微流體可以將藥、營(yíng)養(yǎng)物或任何液體引導(dǎo)到生物體的特定部分，以更精準(zhǔn)地模擬生物過(guò)程。

例如，研究人員將蠕蟲困在通道中，用氣味刺激它們來(lái)了解神經(jīng)回路。另一個(gè)研究小組將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)向植物根部的特定區(qū)域，觀察對(duì)生長(zhǎng)化學(xué)物質(zhì)的不同反應(yīng)。其他研究小組設(shè)計(jì)了微流體陷阱，從血液中物理捕獲罕見(jiàn)的腫瘤細(xì)胞。

大量的微流體遺傳芯片提供了對(duì)人類基因組進(jìn)行快速測(cè)序的能力，并使諸如23andMe之類的個(gè)性化DNA測(cè)試成為現(xiàn)實(shí)。 沒(méi)有微流體，這是不可能的。

微流體的未來(lái)

微流體技術(shù)將是引導(dǎo)醫(yī)學(xué)進(jìn)入一個(gè)新的、快節(jié)奏的、負(fù)擔(dān)得起的時(shí)代的關(guān)鍵。用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備，以及將抗/癌藥局部傳遞到患者腫瘤上的可植入設(shè)備，是生物醫(yī)學(xué)微流體的下一個(gè)前沿領(lǐng)域。

研究人員正在開(kāi)發(fā)一種名為“芯片上的器官"的復(fù)雜而迷人的微流體系統(tǒng)，旨在模擬人體生理的各個(gè)方面。

在世界各地的實(shí)驗(yàn)室里，研究團(tuán)隊(duì)都正在開(kāi)發(fā)芯片上的腫瘤平臺(tái)，以更有效地測(cè)試抗/癌藥。這些病人的化身，將使科學(xué)家能夠以一種不涉及與動(dòng)物或人類試驗(yàn)相關(guān)的成本、痛苦和倫理問(wèn)題的方式測(cè)試新的治/療方法。

在實(shí)驗(yàn)室里，我們首先將癌癥患者的腫瘤活檢解剖成數(shù)千個(gè)顯微的規(guī)則片段，然后讓它們存活下來(lái)。由于它們的體積很小，我們可以使用微流體將微小的腫瘤碎片捕獲到多個(gè)孔中，每種藥一個(gè)孔。

這些樣本保留了腫瘤的適當(dāng)細(xì)胞環(huán)境，這將使我們能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)藥對(duì)特定人的作用方式。

大膽的想象一下，你去看醫(yī)生，把活檢取出來(lái)，在不到一周的時(shí)間里，通過(guò)使用我們的微流體設(shè)備，醫(yī)生就能找出哪種雞尾酒藥適合切除你的腫瘤。

雖然，這仍是未來(lái)的事，但我們知道的是，未來(lái)將是微流體技術(shù)的。