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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(zhǎng)已是不爭(zhēng)的事實(shí).Yole2015年的報(bào)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(huì)達(dá)到59.5億美元, 年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)18%,主要增長(zhǎng)點(diǎn)是醫(yī)/藥學(xué)研究和即時(shí)診斷.而隨著老齡化的到來(lái),尤其是對(duì)于中國(guó)這樣老年人口眾多,醫(yī)療資源匱乏的大國(guó),微流控芯片更是應(yīng)對(duì)眾多醫(yī)療健康難題的關(guān)鍵.

2016-2020微流控市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè) 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(shí)驗(yàn)與分析過(guò)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(jī)械泵、電水力泵和電滲流等方法驅(qū)動(dòng)芯片中緩沖液的流動(dòng),形成微流路,在芯片上進(jìn)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(cè)系統(tǒng)以及與質(zhì)譜等分析手段結(jié)合的很多檢測(cè)手段也已經(jīng)被用在微流控芯片中,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的快速、準(zhǔn)確和高通量分析.近年來(lái)隨著微泵,微閥的發(fā)展,更讓微流控芯片實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)控制流量,流速以及流道開(kāi)閉等功能.

 

微流控芯片發(fā)展簡(jiǎn)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(duì)混合物進(jìn)行分離.但是由于當(dāng)時(shí)分離技術(shù)相對(duì)落后以及缺乏對(duì)類似器件的操作經(jīng)驗(yàn),整個(gè)科學(xué)界對(duì)這項(xiàng)劃時(shí)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(shí)這一概念是作為一種新型的化學(xué)傳感器提出來(lái)的,當(dāng)這個(gè)概念被提出之后,研究者們很快意識(shí)到器件尺寸的減小會(huì)帶來(lái)很多的好處.自1992年開(kāi)始,以毛細(xì)管電泳為主要應(yīng)用對(duì)象的各種微流控芯片相繼開(kāi)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(kāi)始對(duì)μTAS的各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用,微流控產(chǎn)業(yè)才開(kāi)始漸漸繁榮起來(lái).

 

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(shí)檢測(cè)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(guò)程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上,自動(dòng)完成分析全過(guò)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(diǎn).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(shí)驗(yàn)室",即在微流控芯片上集成生物實(shí)驗(yàn)所需的各種條件.目前最典型的應(yīng)用是PH值控制.通過(guò)在微流控芯片中集成離子選擇性晶體管測(cè)量PH值,微流控系統(tǒng)就可以根據(jù)測(cè)量值,利用微閥門和微泵實(shí)時(shí)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(cè)(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(cè)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?yàn)榇蟛糠钟糜赑oC檢測(cè)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(shì),已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在了妊娠檢測(cè),傳染病診斷,胰島素檢測(cè)和毒品尿檢等PoC檢測(cè)中.

 

用于PoC檢測(cè)中的微流控芯片

        在新藥研發(fā)領(lǐng)域,最重要的一點(diǎn)是縮短藥物的作用路徑.很簡(jiǎn)單的例子,靜脈注射通常比肌肉注射見(jiàn)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(hù)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(guò)微針陣列可以實(shí)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(xì)胞,一直是很多生物學(xué)家的夢(mèng)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(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí).借助于微流控芯片,生物學(xué)家可以更快速的尋找到細(xì)胞培養(yǎng)的最佳生長(zhǎng)條件,細(xì)胞與培養(yǎng)環(huán)境的相互作用等,更精確地研究細(xì)胞行為.

        生物實(shí)驗(yàn)中,化學(xué)物質(zhì)的濃度梯度通常是一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)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(jí),在這個(gè)尺度下,液體流動(dòng)呈現(xiàn)層流狀態(tài),相鄰液體不會(huì)輕易混合,而是通過(guò)擴(kuò)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(guò)控制注入物質(zhì)的濃度差,還可以控制所需梯度的大小.