技术文章您的位置:网站首页 >技术文章 >什么是微流体?它的未来是什么?

什么是微流体?它的未来是什么?

更新时间:2023-03-07   点击次数:750次

什么是微流体?它的未来是什么?

微流体技术是指在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术,是在微电子、微机械、生物工程和纳米技术基础上发展起来的一门全新交叉学科。

 

在生物、化学、材料等科学实验中,经常需要对流体进行操作,如样品DNA的制备、液相色谱、PCR反应、电泳检测等操作都是在液相环境中进行。如果要将样品制备、生化反应、结果检测等步骤集成到生物芯片上,则实验所用流体的量就从毫升、微升级降至纳升或皮升级,这时功能强大的微流体装置就显得非常重要了。因此随着生物芯片技术的发展,微流体技术作为生物芯片的一项关键支撑技术也得到了人们越来越多的关注。

 

与微电子技术不同,微流体技术不强调减小器件的尺寸,它着重于构建微流体通道系统来实现各种复杂的微流体操纵功能。与宏观流体系统类似,微流体系统所需的器件也包括泵、阀、混合器、过滤器、分离器等。尽管与微电子器件相比,微通道的尺寸显得相当大,但实际上这个尺寸对于流体而言已经是非常小。微通道中的流体流动行为与人们在日常生活中所见的宏观流体流动行为有着本质的差别,因此微泵、微阀、微混合器、微过滤器、微分离器等微型器件往往都与相应的宏观器件差别甚大。

 

为了精准设计微流体系统中所需的器件,首先要确定微通道中流体的流动性质。人们利用共焦显微镜成像技术可以方便地对微通道中的流动过程进行量化,达到了以往无法实现的高分辨率。世界上first微流体器件由英国帝国理工大学(Imperial College)的曼齐(A Manz)、美国橡树岭国家实验室的拉姆齐(M Ramsey)等科学家在1990年代初研制成功。该器件是利用常规的平面加工工艺(光刻、腐蚀等)在硅、玻璃上制作的。尽管这种制作方法非常精密,但成本高,且不灵活,无法适应研发需求。怀特赛兹(G M Whitesides)等人又提出一种软光刻"微加工方法,即在有机材料上印制、成型出微结构,从而能方便地加工原型器件和专用器件。另外这个方法还能构建出三维微通道结构,并能在更高层次上控制微流体通道表面的分子结构。

 

喷射是成熟的微流体技术,它使用直径小于100微米的孔来产生微滴。这项技术可用于输运微反应中的微量试剂,以及将微量DNA样品分发到载体表面形成微阵列。

 

微流体是什么?

微流体系统是任何处理微量液体的设备。这些液体通过的通道比头发还要细,微小的阀门可以开启和关闭流量。这些通道通常由玻璃、聚合物、纸或凝胶等材料制成。

要想使流体移动,一种方法是使用机械泵;另一种方法是利用某些材料的表面电荷;当然还有一种方法使用的是所谓毛细管作用 —— 更常见的是芯吸作用。芯吸是储存在液体中的能量推动液体通过狭窄空间的过程。

在微小的尺度内,流体的运动方式并不直观。 并不像我们常见的从花园水管或淋浴喷头出来的湍流、混乱的水流。 相反,在狭窄的微通道容积中,流量异常稳定。

流体会以有组织的平行流沿通道向下移动 —— 称为层流。层流是微流体系统中的一大奇观。层流中的流体和颗粒会遵循数学上可预测的路径流动,这是精密工程和医疗设备设计的条件。

这些对研究人员具有启发意义的过程,在自然界中存在了千百万年。植物利用毛细作用将营养物质从根部输送到高的树枝上,这就是自动供电的微流体电路的灵感来源。

化学家们模仿雨滴的物理特性,设计了一种设备,将样本分解成数百万个液滴,并以令人眼花缭乱的速度对其进行分析。每个液滴本质上都是一个微型的化学实验室,化学家们可以研究生物分子的进化,并进行超快的遗传分析等等。

就连人体的每个角落都是微流体的。如果没有复杂的毛细/血管为每个细胞输送食物、氧气和信号分子,我们就不可能出生或正常生活。

 

微型科技的好处

就像微电子学一样,尺寸是微流体的关键。

 

随着元件变得越来越小,设备可以在很小的尺度上依赖于液体的奇怪特性,可以更快、更有效地操作,而且制造成本更低。现在,微流体已经悄悄地搭上了电子产品的顺风车。

 

微流体装置的另一个主要优点是,它们只需要非常少量的液体,因此尺寸可以很小。

 

技术、生物和医学中的微流体学

 

实际上,你在生活中会经常使用微流体。喷墨打印机能喷出微小的墨滴;3D打印机通过微流体喷嘴挤出熔融聚合物;钢笔和圆珠笔中的墨水是通过微流体原理流动的;哮/喘患者的喷雾器可以喷射出微小的药液滴;怀孕测试依赖于尿液在微流体纸条中的流动。

 

在科学研究中,微流体可以将药、营养物或任何液体引导到生物体的特定部分,以更精准地模拟生物过程。

 

例如,研究人员将蠕虫困在通道中,用气味刺激它们来了解神经回路。另一个研究小组将营养物质导向植物根部的特定区域,观察对生长化学物质的不同反应。其他研究小组设计了微流体陷阱,从血液中物理捕获罕见的肿瘤细胞。

大量的微流体遗传芯片提供了对人类基因组进行快速测序的能力,并使诸如23andMe之类的个性化DNA测试成为现实。 没有微流体,这是不可能的。

微流体的未来

微流体技术将是引导医学进入一个新的、快节奏的、负担得起的时代的关键。用于运动监测的可穿戴设备,以及将抗/癌药局部传递到患者肿瘤上的可植入设备,是生物医学微流体的下一个前沿领域。

研究人员正在开发一种名为芯片上的器官"的复杂而迷人的微流体系统,旨在模拟人体生理的各个方面。


在世界各地的实验室里,研究团队都正在开发芯片上的肿瘤平台,以更有效地测试抗/癌药。这些病人的化身,将使科学家能够以一种不涉及与动物或人类试验相关的成本、痛苦和伦理问题的方式测试新的治/疗方法。


在实验室里,我们首先将癌症患者的肿瘤活检解剖成数千个显微的规则片段,然后让它们存活下来。由于它们的体积很小,我们可以使用微流体将微小的肿瘤碎片捕获到多个孔中,每种药一个孔。


这些样本保留了肿瘤的适当细胞环境,这将使我们能够更准确地预测药对特定人的作用方式。


大胆的想象一下,你去看医生,把活检取出来,在不到一周的时间里,通过使用我们的微流体设备,医生就能找出哪种鸡尾酒药适合切除你的肿瘤。


虽然,这仍是未来的事,但我们知道的是,未来将是微流体技术的。