微流控(Microfluidics)指(zhi)的是使(shi)用(yong)微管(guan)道(尺寸為(wei)數(shu)十到(dao)數(shu)百(bai)微米(mi))處理(li)或(huo)操縱(zong)微小(xiao)流體(體積(ji)為(wei)納升(sheng)到(dao)皮升(sheng))的系統所涉及的科學和技(ji)術(shu),是(shi)壹門(men)涉及化(hua)學、流體物理、微電子、新材(cai)料、生(sheng)物學和生物醫學工(gong)程的新興(xing)交(jiao)叉學(xue)科.如今(jin),微流控芯片(pian)相關產業(ye)的急劇(ju)增(zeng)長已是不(bu)爭的事實(shi).Yole2015年(nian)的報告指(zhi)出, 2015年(nian)微流控芯片(pian)產業(ye)的產值(zhi)約為(wei)25.6億(yi)美(mei)元(yuan), 到2020年(nian)將會達(da)到(dao)59.5億美元(yuan), 年(nian)均復合增(zeng)長率高(gao)達18%,主(zhu)要增(zeng)長點是醫/藥學研究(jiu)和即(ji)時(shi)診(zhen)斷(duan).而隨著老(lao)齡化(hua)的到來(lai),尤其(qi)是(shi)對於(yu)中(zhong)國(guo)這(zhe)樣(yang)老(lao)年(nian)人(ren)口眾多(duo),醫療資源(yuan)匱乏(fa)的大國(guo),微流控芯片(pian)更是(shi)應對眾多(duo)醫療健康難題(ti)的關鍵.

2016-2020微流控市(shi)場(chang)規模預測 Yole

什(shen)麽(me)是(shi)微流控?

        微流控芯片(pian)采用(yong)微納加工技(ji)術(shu)在(zai)芯片(pian)上構(gou)建微流路(lu)系(xi)統,將實驗(yan)與分(fen)析過(guo)程轉(zhuan)載(zai)到(dao)由(you)彼(bi)此聯系(xi)的路(lu)徑(jing)和(he)液(ye)相小(xiao)室(shi)組(zu)成(cheng)的芯片(pian)結構(gou)上.加載生物樣(yang)品和反(fan)應液(ye)後,采用(yong)微機械泵、電水(shui)力(li)泵和(he)電滲(shen)流等方法驅動芯片(pian)中緩(huan)沖液(ye)的流動,形成微流路(lu),在(zai)芯片(pian)上進(jin)行(xing)多(duo)種生(sheng)物化學反應.激光(guang)誘導熒(ying)光(guang)、電化(hua)學(xue)和化(hua)學等多(duo)種檢測系(xi)統以(yi)及與(yu)質譜(pu)等分(fen)析手段結(jie)合的很(hen)多(duo)檢測手段也已(yi)經(jing)被(bei)用在(zai)微流控芯片(pian)中,從(cong)而實(shi)現(xian)對樣(yang)品的快速(su)、準(zhun)確(que)和(he)高(gao)通量(liang)分(fen)析.近(jin)年(nian)來(lai)隨著微泵,微閥(fa)的發展,更讓(rang)微流控芯片(pian)實現(xian)了主(zhu)動控(kong)制(zhi)流量(liang),流速以(yi)及流道開閉(bi)等功能.

 

微流控芯片(pian)發展簡(jian)史(shi)

        微流控芯片(pian)的發展歷史(shi)最(zui)早(zao)可(ke)以(yi)追(zhui)溯到1975年(nian),Terry等(deng)人在(zai)壹塊(kuai)矽(gui)片(pian)上加工出了壹種氣(qi)相色譜(pu)芯片(pian),能在幾秒(miao)鐘內對混合物進行(xing)分(fen)離.但(dan)是(shi)由於(yu)當(dang)時(shi)分(fen)離技(ji)術(shu)相對落後(hou)以(yi)及缺(que)乏對類似器(qi)件的操作(zuo)經驗(yan),整(zheng)個(ge)科學界對這項劃時代(dai)的工作(zuo)響(xiang)應寥寥.直(zhi)到1990年(nian),瑞(rui)士(shi)科學家Manz與Widmer首(shou)次(ci)提(ti)出(chu)了(le)微全分(fen)析系(xi)統(Micro-Total Analytical System,μTAS)概念,當時(shi)這(zhe)壹概念是(shi)作(zuo)為(wei)壹種新(xin)型的化學(xue)傳(chuan)感(gan)器(qi)提(ti)出(chu)來(lai)的,當這(zhe)個(ge)概念(nian)被(bei)提(ti)出(chu)之(zhi)後(hou),研究(jiu)者們很(hen)快(kuai)意(yi)識到器(qi)件尺寸的減小(xiao)會(hui)帶(dai)來(lai)很(hen)多(duo)的好(hao)處.自(zi)1992年(nian)開始(shi),以(yi)毛細(xi)管(guan)電泳(yong)為主(zhu)要應用對象的各種微流控芯片(pian)相繼開發成功,從此科學界和產(chan)業(ye)界(jie)都紛紛介(jie)入到(dao)這壹新興(xing)領(ling)域(yu)的研發,研究(jiu)者們開始(shi)對μTAS的各個(ge)相關領域進(jin)行(xing)了(le)更加系統深入的研究(jiu),各種新(xin)方(fang)法、新工藝(yi)、新材料也不(bu)斷(duan)地獲得(de)開發和應用,微流控產業(ye)才(cai)開始(shi)漸(jian)漸(jian)繁榮起(qi)來(lai).

 

潛力巨(ju)大(da)的微流控芯片(pian)

        微流控芯片(pian)在生(sheng)物、制(zhi)藥、醫學、臨床(chuang)診斷(duan)以(yi)及即(ji)時(shi)檢測領(ling)域(yu)等領域(yu)有著的巨(ju)大(da)潛力.借助(zhu)微流控芯片(pian),可以(yi)將分(fen)析過(guo)程的樣(yang)品制(zhi)備、反(fan)應、分(fen)離、檢測等(deng)基(ji)本(ben)操作(zuo)單元集成(cheng)到(dao)壹塊(kuai)微米(mi)尺度的芯片(pian)上,自(zi)動完(wan)成(cheng)分(fen)析全過(guo)程.具(ju)有體積(ji)輕(qing)巧(qiao)、使(shi)用(yong)樣(yang)品及試(shi)劑(ji)量(liang)少,且反應速度快(kuai)、可大(da)量(liang)平(ping)行(xing)處理(li)及(ji)可即(ji)用(yong)即(ji)棄等優點.以(yi)下(xia)就是微流控芯片(pian)的壹些典型應用.

        微流控芯片(pian)的壹大應用即(ji)是(shi)所謂(wei)的"片(pian)上實(shi)驗(yan)室",即(ji)在(zai)微流控芯片(pian)上集成(cheng)生(sheng)物實驗(yan)所需(xu)的各種條(tiao)件.目(mu)前(qian)最(zui)典型的應用是PH值(zhi)控制(zhi).通過(guo)在微流控芯片(pian)中集成(cheng)離(li)子選擇(ze)性(xing)晶(jing)體(ti)管(guan)測量(liang)PH值(zhi),微流控系統就可以(yi)根據(ju)測量(liang)值(zhi),利用微閥(fa)門(men)和(he)微泵實時控(kong)制(zhi)微腔(qiang)室(shi)裏(li)的化學(xue)條件.

        用(yong)於(yu)PH值(zhi)控(kong)制(zhi)的微流控芯片(pian) Welch and Christen, 2014微流控最廣的應用要數(shu)床(chuang)邊檢測(Point of Care, PoC).與(yu)矽(gui)基或(huo)者玻璃制(zhi)造(zao)的微流控器(qi)件不(bu)同(tong),用(yong)於(yu)PoC檢測的微流控芯片(pian)多(duo)利用高(gao)分(fen)子聚合物制(zhi)造(zao),以(yi)便(bian)盡(jin)可(ke)能的降低成本(ben)——因為(wei)大部分(fen)用於(yu)PoC檢測的芯片(pian)是壹次(ci)性(xing)使(shi)用(yong)的.微流控芯片(pian)還具(ju)有快速、高(gao)通量(liang)以(yi)及消(xiao)耗(hao)檢材少等(deng)優勢(shi),已經(jing)廣泛地(di)應用在了(le)妊(ren)娠檢測,傳(chuan)染病(bing)診(zhen)斷(duan),胰(yi)島(dao)素檢測和(he)毒(du)品尿檢等PoC檢測中(zhong).

 

用(yong)於(yu)PoC檢測中(zhong)的微流控芯片(pian)

        在新(xin)藥研發領域,最重要的壹點是縮(suo)短藥物的作用(yong)路(lu)徑(jing).很(hen)簡(jian)單(dan)的例子,靜(jing)脈(mai)註(zhu)射(she)通(tong)常比肌肉註射(she)見(jian)效快(kuai),而(er)肌(ji)肉註射(she)往(wang)往(wang)又快(kuai)於(yu)口(kou)服(fu).但(dan)註(zhu)射需要專(zhuan)業(ye)的醫護(hu)人(ren)員,且有痛(tong)苦(ku),通(tong)常不(bu)是(shi)人們(men)首選的方式.微流控芯片(pian)則可(ke)能改(gai)變(bian)這壹狀況.通過(guo)微針(zhen)陣(zhen)列可以(yi)實現(xian)微創給藥,既(ji)提(ti)高(gao)了藥物吸(xi)收(shou)效(xiao)率,又(you)能夠(gou)減輕(qing)傳(chuan)統註射方式的痛(tong)苦(ku).

 

用(yong)於(yu)給(gei)藥的微針(zhen)陣(zhen)列

        生物研究(jiu)中,在(zai)壹片(pian)微小(xiao)區(qu)域(yu)內利用不同(tong)條(tiao)件培(pei)養和篩(shai)選細(xi)胞,壹直(zhi)是很(hen)多(duo)生(sheng)物學家的夢想.微流控芯片(pian)由於(yu)能夠(gou)精(jing)確(que)的控制(zhi)流體條件,有希望將這壹夢想變(bian)為(wei)現(xian)實.借助(zhu)於(yu)微流控芯片(pian),生物學家可以(yi)更快(kuai)速(su)的尋(xun)找到細(xi)胞培養的最佳(jia)生長條件,細(xi)胞與培養環境的相互作用等(deng),更精(jing)確(que)地(di)研究(jiu)細(xi)胞行(xing)為(wei).

        生(sheng)物實驗(yan)中,化(hua)學物質的濃度(du)梯(ti)度通常是(shi)壹個(ge)非常重要的實驗(yan)參數(shu).微流控芯片(pian)可以(yi)方便(bian)地(di)產生(sheng)出人(ren)們(men)需(xu)要的濃度(du)梯(ti)度.因微流控芯片(pian)尺寸通(tong)常在(zai)微米(mi)量(liang)級(ji),在這(zhe)個(ge)尺度下(xia),液(ye)體流動呈(cheng)現(xian)層流狀態(tai),相鄰(lin)液(ye)體不會(hui)輕(qing)易混合,而(er)是(shi)通(tong)過(guo)擴散方式漸(jian)漸(jian)融為(wei)壹體,由此(ci)就(jiu)形(xing)成了穩(wen)定的濃度(du)梯(ti)度.而通過(guo)控制(zhi)註入(ru)物質的濃度(du)差(cha),還(hai)可(ke)以(yi)控制(zhi)所需(xu)梯度(du)的大小(xiao).