一文读懂微流控：把生物化学实验室“建”在芯片上的技术
一文读懂微流控：把生物化学实验室“建”在芯片上的技术
微流控技术是将生物化学实验室“缩小”到芯片上的革命性技术，它在医疗诊断、生物化学分析、喷墨打印、器官芯片等多个领域展现出广阔的应用前景。本文将为您详细介绍微流控技术的定义、发展历程及其在各领域的具体应用。
微流控技术概述
微流控（Microfluidics）技术是一种在微米尺度（几十到几百微米）范围内对微量流体（体积为纳升到阿升）进行精确控制和操作的科学技术。这项技术涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程等多个领域，是一个新兴的交叉学科。
微流控芯片是微流控技术的主要实现平台。与传统芯片不同，微流控芯片上分布的功能单元不是电路，而是由微流体通路形成的流体通路。这些微流体通路通常采用光刻技术、等离子体蚀刻或软光刻等方法制造，可以在硅、玻璃、聚合物（如PDMS）等材料上制造出复杂的微通道结构，从而实现在微米尺度上对流体进行高效、精确的控制和分析。
芯片内部可以集成多种功能，如生物化学样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元，从而实现从样品处理到分析的全过程。因此，微流控芯片又被称为“芯片实验室（Lab-on-a-Chip）”和“微全分析系统（micro-Total Analytical System）”。
微流控芯片具有设备微型化、集成化、高通量、低成本等显著优势。此外，通过微机电系统（MEMS）实现自动化控制，无需人工干预，提高了操作的精度和效率。这些特性使得微流控技术在医疗诊断、生化分析、有机合成、环保监测、药物研究等多个领域展现出广泛的应用前景。
微流控技术的发展历程
微流控技术的起源可以追溯到20世纪50年代至90年代初，其发展与多个领域的发展密切相关，包括集成电路、光刻技术、喷墨打印技术等。
1970年代：斯坦福大学的Terry等人首次提出了“Lab-on-chip”概念，并开发了第一个基于硅片的气相色谱分析仪，这被认为是微流控技术的早期雏形。
1990年：瑞士科学家Manz和Widmer首次提出了“微全分析系统（μ-TAS）”的概念，标志着微流控技术作为一个独立领域的正式诞生。
1992年：M.A. Burns等人在《Science》杂志上发表了题为《微小通道的液滴传输》的论文，这是微流控领域的重要开端，奠定了微流控技术的理论基础。
1994年：Mike Ramsey改进了芯片毛细管电泳的进样方法，提高了其性能与实用性，引起了广泛关注。同年，首届国际微全分析系统学术会议在荷兰举行，微流控芯片进入大众视野。
1995年：Caliper Life Sciences公司成立，标志着微流控芯片技术的商业化开始。
1999年：安捷伦公司和Caliper公司联合推出了首台商用化微流控芯片仪器，主要应用于生物及临床分析。
2000年：G. Whitesides等人提出了使用PDMS（聚二甲基硅氧烷）作为微流控芯片载体的方法，这一创举大大降低了微流控技术的成本，并且一直沿用至今。
2002年：S. Quake等人在Science上发表了关于微流控芯片大规模集成的文章，展示了具有上千个微阀和几百个反应器的微流控芯片，标志着微流控芯片从芯片电泳到大规模多功能集成实验室的飞跃。
2003年：Forbes杂志将微流控技术评为影响人类未来15件最重要的发明之一。
2004年：Business 2.0杂志将芯片实验室列为“改变未来的七种技术之一”。
2006年：《Nature》杂志发表了题为“芯片实验室”的专辑，指出芯片实验室可能成为“这一世纪的技术”，进一步提升了微流控芯片的战略性意义。
2016年：器官芯片技术入选达沃斯论坛年度十大新兴技术之一，被誉为与新燃料电池和无人驾驶汽车齐名的新兴技术。
微流控芯片的应用
喷墨打印领域
微流控芯片技术被用于制造低成本、高通量的喷墨打印头。例如，上海微技术工业研究院与上海傲睿科技携手研发的CMOS-MEMS热发泡喷墨打印芯片，通过智能微流控技术实现了对液体的数字化、自动化和智能化操控。此外，喷墨打印技术也被用于生物材料和活细胞的制备，如单细胞的喷墨打印、三维人体组织芯片的制备等。这些应用展示了微流控芯片在喷墨打印中的巨大潜力，尤其是在生物医学工程和药物递送系统中的应用。
生物医学领域
在生物医学领域，微流控芯片技术被广泛应用于药物合成分析、医疗体外诊断、仿生皮肤组织器官、单细胞分析和药物筛选递送等场景。例如，微流控芯片可以用于构建器官芯片，模拟人体生理环境，进行药物毒性测试和疾病模型构建。微流控芯片还能够实现细胞培养、组织再生和癌症研究等应用。通过集成微流控技术，研究人员能够生物打印出功能更接近真实组织的模型，这对于药物测试和疾病研究具有重要意义。
其他领域
微流控芯片技术还被应用于食品安全、环境监测、病毒和细菌病原体检测等领域。研究者们开发了多种新型微流控芯片，如一次性、连续流、可编程的芯片，以适应不同的实验需求和现场应用。例如，基于微流控芯片的即时检测（POCT）仪器，因其样品消耗量小、检测灵敏度高、易于集成和实现自动检测等特点，已成为实现POCT的重要技术手段。
随着技术的进步，微流控芯片正朝着更高的集成化和智能化方向发展。未来，人工智能、机器学习、纳米技术和柔性电子技术的融合将进一步推动微流控芯片的发展，使其在更多领域得到应用。总之，微流控芯片技术作为一种具有广阔应用前景的技术，正随着技术进步不断拓展其在各领域的应用与发展。