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什么是微流體?它的未來是什么?

發布時間:2023-03-07   點擊次數:427次

什(shen)么是微流體?它的未來(lai)是什(shen)么?

微(wei)流(liu)體技術(shu)是(shi)指在微(wei)觀(guan)尺寸(cun)下控(kong)制(zhi)、操作和檢測復雜(za)流(liu)體的(de)技術(shu),是(shi)在微(wei)電子、微(wei)機械、生物工程(cheng)和納米(mi)技術(shu)基礎(chu)上發展起來的(de)一門全新交叉學科。

 

在生物、化學、材料(liao)等科學實驗中,經常需要(yao)對流體進行操作,如(ru)樣品DNA的制備(bei)、液(ye)相色譜、PCR反應、電泳(yong)檢測等操作(zuo)都(dou)是在液相(xiang)環境中進(jin)行。如(ru)果要(yao)將樣品(pin)制備、生化反應、結果檢測等步驟集成到(dao)生物芯片(pian)上,則實驗所用流體的(de)(de)量就從(cong)毫升、微升級降至納升或(huo)皮(pi)升級,這時功能強大的(de)(de)微流體裝置就顯得(de)非常重要(yao)了。因(yin)此隨著(zhu)生物芯片(pian)技(ji)術的(de)(de)發展,微流體技(ji)術作(zuo)為生物芯片(pian)的(de)(de)一項關鍵支撐技(ji)術也得(de)到(dao)了人們越來越多的(de)(de)關注。

 

與(yu)(yu)(yu)微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)電子技術不同,微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)流體(ti)(ti)技術不強調減小器(qi)(qi)件(jian)的尺(chi)寸(cun)(cun),它著重于構建微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)流體(ti)(ti)通道(dao)系(xi)統來實現各種(zhong)復雜的微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)流體(ti)(ti)操縱(zong)功能(neng)。與(yu)(yu)(yu)宏(hong)觀(guan)流體(ti)(ti)系(xi)統類似,微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)流體(ti)(ti)系(xi)統所(suo)需(xu)的器(qi)(qi)件(jian)也包括泵(beng)、閥、混合器(qi)(qi)、過濾器(qi)(qi)、分離器(qi)(qi)等。盡管(guan)與(yu)(yu)(yu)微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)電子器(qi)(qi)件(jian)相(xiang)比,微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)通道(dao)的尺(chi)寸(cun)(cun)顯得(de)相(xiang)當大(da),但實際上這個尺(chi)寸(cun)(cun)對(dui)于流體(ti)(ti)而言已經是(shi)非常(chang)(chang)小。微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)通道(dao)中(zhong)的流體(ti)(ti)流動(dong)行為與(yu)(yu)(yu)人們在日(ri)常(chang)(chang)生活中(zhong)所(suo)見的宏(hong)觀(guan)流體(ti)(ti)流動(dong)行為有著本質的差(cha)別(bie),因此微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)泵(beng)、微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)閥、微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)混合器(qi)(qi)、微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)過濾器(qi)(qi)、微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)分離器(qi)(qi)等微(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)型器(qi)(qi)件(jian)往往都與(yu)(yu)(yu)相(xiang)應的宏(hong)觀(guan)器(qi)(qi)件(jian)差(cha)別(bie)甚大(da)。

 

為了(le)精準設計微(wei)流(liu)體系統(tong)中所需的器(qi)件(jian),首先(xian)要確定微(wei)通道(dao)中流(liu)體的流(liu)動(dong)性質。人們利用共(gong)焦(jiao)顯微(wei)鏡成(cheng)像技術(shu)可(ke)以方便地對微(wei)通道(dao)中的流(liu)動(dong)過(guo)程(cheng)進行量化,達到了(le)以往無法實現的高(gao)分辨率。世(shi)界上first微(wei)流(liu)體器(qi)件(jian)由英(ying)國帝(di)國理工大學(Imperial College)的曼齊(qi)(A Manz)、美國橡(xiang)樹嶺國家實(shi)驗室的拉姆(mu)齊(M Ramsey)等(deng)科學(xue)家在1990年代初(chu)研制成功(gong)。該器(qi)件是(shi)利(li)用常規的平面加工工藝(光(guang)刻、腐蝕(shi)等)在(zai)硅、玻(bo)璃上制作的。盡(jin)管這(zhe)種制作方法非常精密,但成本高(gao),且不靈活,無法適應研發需求。懷特賽茲(G M Whitesides)等人又提出一(yi)種軟光刻(ke)"微(wei)加工方(fang)法,即在有機材料上(shang)印制、成(cheng)型出(chu)微(wei)結構(gou)(gou),從而能方(fang)便地加工原型器件(jian)和專用器件(jian)。另外這個方(fang)法還能構(gou)(gou)建出(chu)三維微(wei)通(tong)道結構(gou)(gou),并能在更高層次上(shang)控(kong)制微(wei)流體(ti)通(tong)道表面的(de)分子結構(gou)(gou)。

 

噴(pen)射是(shi)成熟的微(wei)流體技術,它(ta)使用直徑小于100微(wei)米(mi)的(de)孔來產生(sheng)微(wei)滴。這(zhe)項(xiang)技術可用于輸運微(wei)反(fan)應中的(de)微(wei)量試劑,以及將微(wei)量DNA樣品(pin)分發(fa)到載體表面形成微陣列。

 

微流體是(shi)什么?

微(wei)(wei)(wei)流(liu)體系統是任何處理微(wei)(wei)(wei)量液體的(de)設(she)備。這些液體通(tong)過的(de)通(tong)道(dao)比頭發還要細,微(wei)(wei)(wei)小的(de)閥(fa)門可以開啟和關(guan)閉(bi)流(liu)量。這些通(tong)道(dao)通(tong)常由玻璃、聚合物、紙或凝膠等材料制成。

要想使(shi)流體移動,一(yi)(yi)種方法是(shi)(shi)使(shi)用機械泵;另一(yi)(yi)種方法是(shi)(shi)利用某些材料的表(biao)面(mian)電荷;當然還有一(yi)(yi)種方法使(shi)用的是(shi)(shi)所謂毛細(xi)管作用 —— 更常見的是(shi)芯吸作用。芯吸是(shi)儲(chu)存在(zai)液體中的能量推動液體通(tong)過狹(xia)窄空間的過程。

在(zai)微小的(de)(de)尺度(du)內,流體的(de)(de)運動(dong)方式并(bing)不(bu)(bu)直觀。 并(bing)不(bu)(bu)像我們常見的(de)(de)從花(hua)園水管或淋浴噴頭出來的(de)(de)湍流、混亂的(de)(de)水流。 相反,在(zai)狹(xia)窄的(de)(de)微通道容積中,流量(liang)異常穩定。

流體會以(yi)有組織的平(ping)行(xing)流沿通道向(xiang)下移動 —— 稱為層(ceng)流(liu)。層(ceng)流(liu)是微流(liu)體(ti)系(xi)統中的一大奇觀。層(ceng)流(liu)中的流(liu)體(ti)和顆粒會遵循數學上可預測(ce)的路徑(jing)流(liu)動,這是精(jing)密工程和醫(yi)療設備設計的條件。

這些對研究(jiu)人員(yuan)具有啟發(fa)意義的(de)過程,在自(zi)然界中存在了千百(bai)萬年。植物利用毛細作用將營養(yang)物質從根部(bu)輸送到高的(de)樹枝上,這就是(shi)自(zi)動供電(dian)的(de)微(wei)流體電(dian)路的(de)靈(ling)感來源。

化(hua)學家們(men)模仿雨滴的(de)物理特性,設計了一種設備,將樣本分解成數百萬(wan)個(ge)液(ye)滴,并(bing)以令(ling)人眼花繚亂的(de)速度對其進行分析(xi)。每個(ge)液(ye)滴本質上(shang)都是一個(ge)微型的(de)化(hua)學實(shi)驗室(shi),化(hua)學家們(men)可以研究生(sheng)物分子的(de)進化(hua),并(bing)進行超快(kuai)的(de)遺傳分析(xi)等(deng)等(deng)。

就連人體的每個角落都是微流體的。如果沒有復雜的毛細(xi)/血管為(wei)每個細(xi)胞輸(shu)送(song)食物、氧(yang)氣和(he)信號(hao)分(fen)子,我們就不可(ke)能(neng)出生或正常生活。

 

微(wei)型科技的好處

就像微電子學一樣,尺寸是微流體(ti)的(de)關(guan)鍵(jian)。

 

隨著(zhu)元件變得越來越小(xiao),設備可以(yi)在很小(xiao)的(de)尺度上依賴(lai)于液體(ti)的(de)奇(qi)怪特性,可以(yi)更(geng)快、更(geng)有效地(di)操(cao)作(zuo),而且制造成本(ben)更(geng)低。現在,微流體(ti)已經悄(qiao)悄(qiao)地(di)搭上了電子產品的(de)順風車。

 

微流體裝置的另(ling)一(yi)個(ge)主要優點(dian)是,它們只需要非(fei)常少量(liang)的液體,因此尺寸可以很小。

 

技術、生物和醫(yi)學中的微(wei)流體(ti)學

 

實際上,你(ni)在生(sheng)活中會經(jing)常使用(yong)微流體。噴(pen)墨打(da)印(yin)機能噴(pen)出微小的墨滴;3D打印(yin)機通過(guo)微流(liu)(liu)(liu)(liu)體噴嘴(zui)擠(ji)出(chu)熔融聚合物;鋼(gang)筆和圓珠筆中的(de)(de)墨水是通過(guo)微流(liu)(liu)(liu)(liu)體原理流(liu)(liu)(liu)(liu)動的(de)(de);哮/喘(chuan)患者的(de)(de)噴霧器可以噴射出(chu)微小的(de)(de)藥液滴(di);懷孕(yun)測試依賴于尿(niao)液在微流(liu)(liu)(liu)(liu)體紙條中的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)(liu)動。

 

在(zai)科學研究中,微流體可(ke)以將(jiang)藥、營養物或任(ren)何液體引(yin)導到生物體的特定部分,以更(geng)精(jing)準地模擬生物過(guo)程(cheng)。

 

例如,研究(jiu)人員將(jiang)蠕(ru)蟲困在通(tong)道中,用氣味刺激(ji)它們來了解神(shen)經回路。另(ling)一個研究(jiu)小組將(jiang)營(ying)養(yang)物(wu)(wu)質(zhi)導向植物(wu)(wu)根部的特定區域,觀察(cha)對(dui)生長化學(xue)物(wu)(wu)質(zhi)的不(bu)同反應。其他(ta)研究(jiu)小組設計(ji)了微流(liu)體(ti)陷阱,從血液中物(wu)(wu)理捕(bu)獲罕見的腫(zhong)瘤(liu)細胞。

大(da)量的微流體遺傳(chuan)芯(xin)片提供了(le)對人(ren)類(lei)基因組進行快速(su)測(ce)序的能力,并使諸如23andMe之(zhi)類(lei)的個性化(hua)DNA測試成為現(xian)實。 沒有(you)微流體(ti),這是(shi)不可能的。

微流體的未來(lai)

微(wei)流(liu)體(ti)技術將是(shi)引(yin)導醫學進(jin)入一個新的、快節奏的、負擔得起的時(shi)代的關鍵。用(yong)于運動監測的可穿戴設備,以及將抗/癌藥局部(bu)傳遞到患(huan)者腫(zhong)瘤上的可植(zhi)入設備,是(shi)生物醫學微(wei)流(liu)體(ti)的下一個前沿(yan)領域。

研(yan)究人(ren)員(yuan)正(zheng)在開發一種名為芯片上的器(qi)官"的復(fu)雜而(er)迷人的微流(liu)體系(xi)統,旨(zhi)在模(mo)擬(ni)人體生理的各個方面。


在(zai)世(shi)界各地的(de)實驗(yan)(yan)室里,研究(jiu)團隊都(dou)正在(zai)開發(fa)芯片上的(de)腫(zhong)瘤(liu)平臺(tai),以更有(you)效地測試抗(kang)/癌藥。這些病人(ren)的(de)化身,將使科(ke)學家能夠以一種(zhong)不涉及與(yu)動(dong)物或人(ren)類試驗(yan)(yan)相關(guan)的(de)成(cheng)本、痛(tong)苦和(he)倫理(li)問題的(de)方式測試新的(de)治(zhi)/療方法。


在(zai)實驗室(shi)里(li),我(wo)們首(shou)先將癌癥患者的(de)腫瘤活(huo)(huo)檢解(jie)剖成(cheng)數千個(ge)顯(xian)微的(de)規(gui)則片段,然后讓它(ta)們存活(huo)(huo)下來。由于它(ta)們的(de)體積很小,我(wo)們可以使(shi)用微流體將微小的(de)腫瘤碎片捕獲到多(duo)個(ge)孔中,每種藥一(yi)個(ge)孔。


這(zhe)(zhe)些樣本保(bao)留了(le)腫瘤(liu)的適當細(xi)胞環境,這(zhe)(zhe)將使我們能夠更準確(que)地預測藥(yao)對特定人的作(zuo)用方式(shi)。


大膽(dan)的(de)想(xiang)象一(yi)下,你去看醫生(sheng),把活檢取(qu)出來,在(zai)不到(dao)一(yi)周的(de)時(shi)間里,通過使用(yong)我們的(de)微流(liu)體設備,醫生(sheng)就能找出哪種雞尾酒(jiu)藥(yao)適合切除你的(de)腫瘤。


雖然,這(zhe)仍是(shi)未(wei)來(lai)的事,但我們知道的是(shi),未(wei)來(lai)將是(shi)微流(liu)體技術(shu)的。