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        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(體積為納升到皮升)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.如今,微流控芯片相關(guān)產(chǎn)業(yè)的急劇增長已是不爭的事實.Yole2015年的報告指出, 2015年微流控芯片產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值約為25.6億美元, 到2020年將會達到59.5億美元, 年均復(fù)合增長率高達18%,主要增長點是醫(yī)/藥學(xué)研究和即時診斷.而隨著老齡化的到來,尤其是對于中國這樣老年人口眾多,醫(yī)療資源匱乏的大國,微流控芯片更是應(yīng)對眾多醫(yī)療健康難題的關(guān)鍵.

2016-2020微流控市場規(guī)模預(yù)測 Yole

什么是微流控?

        微流控芯片采用微納加工技術(shù)在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng),將實驗與分析過程轉(zhuǎn)載到由彼此聯(lián)系的路徑和液相小室組成的芯片結(jié)構(gòu)上.加載生物樣品和反應(yīng)液后,采用微機械泵、電水力泵和電滲流等方法驅(qū)動芯片中緩沖液的流動,形成微流路,在芯片上進行多種生物化學(xué)反應(yīng).激光誘導(dǎo)熒光、電化學(xué)和化學(xué)等多種檢測系統(tǒng)以及與質(zhì)譜等分析手段結(jié)合的很多檢測手段也已經(jīng)被用在微流控芯片中,從而實現(xiàn)對樣品的快速、準(zhǔn)確和高通量分析.近年來隨著微泵,微閥的發(fā)展,更讓微流控芯片實現(xiàn)了主動控制流量,流速以及流道開閉等功能.

 

微流控芯片發(fā)展簡史

        微流控芯片的發(fā)展歷史最早可以追溯到1975年,Terry等人在一塊硅片上加工出了一種氣相色譜芯片,能在幾秒鐘內(nèi)對混合物進行分離.但是由于當(dāng)時分離技術(shù)相對落后以及缺乏對類似器件的操作經(jīng)驗,整個科學(xué)界對這項劃時代的工作響應(yīng)寥寥.直到1990年,瑞士科學(xué)家Manz與Widmer首次提出了微全分析系統(tǒng)(Micro-Total Analytical System,μTAS)概念,當(dāng)時這一概念是作為一種新型的化學(xué)傳感器提出來的,當(dāng)這個概念被提出之后,研究者們很快意識到器件尺寸的減小會帶來很多的好處.自1992年開始,以毛細管電泳為主要應(yīng)用對象的各種微流控芯片相繼開發(fā)成功,從此科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界都紛紛介入到這一新興領(lǐng)域的研發(fā),研究者們開始對μTAS的各個相關(guān)領(lǐng)域進行了更加系統(tǒng)深入的研究,各種新方法、新工藝、新材料也不斷地獲得開發(fā)和應(yīng)用,微流控產(chǎn)業(yè)才開始漸漸繁榮起來.

 

潛力巨大的微流控芯片

        微流控芯片在生物、制藥、醫(yī)學(xué)、臨床診斷以及即時檢測領(lǐng)域等領(lǐng)域有著的巨大潛力.借助微流控芯片,可以將分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上,自動完成分析全過程.具有體積輕巧、使用樣品及試劑量少,且反應(yīng)速度快、可大量平行處理及可即用即棄等優(yōu)點.以下就是微流控芯片的一些典型應(yīng)用.

        微流控芯片的一大應(yīng)用即是所謂的"片上實驗室",即在微流控芯片上集成生物實驗所需的各種條件.目前最典型的應(yīng)用是PH值控制.通過在微流控芯片中集成離子選擇性晶體管測量PH值,微流控系統(tǒng)就可以根據(jù)測量值,利用微閥門和微泵實時控制微腔室里的化學(xué)條件.

        用于PH值控制的微流控芯片 Welch and Christen, 2014微流控最廣的應(yīng)用要數(shù)床邊檢測(Point of Care, PoC).與硅基或者玻璃制造的微流控器件不同,用于PoC檢測的微流控芯片多利用高分子聚合物制造,以便盡可能的降低成本——因為大部分用于PoC檢測的芯片是一次性使用的.微流控芯片還具有快速、高通量以及消耗檢材少等優(yōu)勢,已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在了妊娠檢測,傳染病診斷,胰島素檢測和毒品尿檢等PoC檢測中.

 

用于PoC檢測中的微流控芯片

        在新藥研發(fā)領(lǐng)域,最重要的一點是縮短藥物的作用路徑.很簡單的例子,靜脈注射通常比肌肉注射見效快,而肌肉注射往往又快于口服.但注射需要專業(yè)的醫(yī)護人員,且有痛苦,通常不是人們首選的方式.微流控芯片則可能改變這一狀況.通過微針陣列可以實現(xiàn)微創(chuàng)給藥,既提高了藥物吸收效率,又能夠減輕傳統(tǒng)注射方式的痛苦.

 

用于給藥的微針陣列

        生物研究中,在一片微小區(qū)域內(nèi)利用不同條件培養(yǎng)和篩選細胞,一直是很多生物學(xué)家的夢想.微流控芯片由于能夠精確的控制流體條件,有希望將這一夢想變?yōu)楝F(xiàn)實.借助于微流控芯片,生物學(xué)家可以更快速的尋找到細胞培養(yǎng)的最佳生長條件,細胞與培養(yǎng)環(huán)境的相互作用等,更精確地研究細胞行為.

        生物實驗中,化學(xué)物質(zhì)的濃度梯度通常是一個非常重要的實驗參數(shù).微流控芯片可以方便地產(chǎn)生出人們需要的濃度梯度.因微流控芯片尺寸通常在微米量級,在這個尺度下,液體流動呈現(xiàn)層流狀態(tài),相鄰液體不會輕易混合,而是通過擴散方式漸漸融為一體,由此就形成了穩(wěn)定的濃度梯度.而通過控制注入物質(zhì)的濃度差,還可以控制所需梯度的大小.