微流控技术概述

1. 什么是微流控芯片？

微流控芯片（Microfluidic Chip）是一种通过微米级通道（通常宽度为10–500 μm）和功能化结构，实现对流体（液体或气体）的精准操控和分析的微型化平台。其核心思想是“在芯片上集成实验室”（Lab-on-a-Chip），将传统实验室的样品处理、反应、分离和检测等功能集成到厘米或毫米尺度的芯片中，具有低样品消耗、高通量、快速响应、高集成度等优势，广泛应用于生物医学、化学合成、环境监测和药物开发等领域。

2. 微流控芯片的进样方式

微流控系统的进样是实验成功的关键环节，常见的进样方式包括：

• 压力驱动进样：通过外部泵（如注射泵、气动泵）或内部压力源驱动流体，适用于高粘度液体和复杂流体的连续输送，但需精确控制压力稳定性。

• 电渗流进样：利用通道表面的电渗效应（Electroosmotic Flow, EOF）驱动带电流体，适合低粘度液体和电泳分离场景，但对溶液离子强度敏感。

• 离心力驱动进样：通过旋转芯片产生的离心力驱动流体，常用于高通量筛查（如血液分型），但设备依赖性强。

• 气动微阀控制：通过气动膜片或弹性阀门的形变调节流体路径，灵活性高，适用于多步骤复杂流程。

• 毛细力自驱动：依赖通道表面润湿性和毛细作用驱动流体，无需外部动力，适合一次性检测芯片（如即时诊断试纸）。

• 数字微流控（Digital Microfluidics）：通过电润湿（Electrowetting）原理操控离散液滴的移动和合并，适合单液滴精准操作。

趋势：主动式进样（如电控、气动）与被动式进样（如毛细力）的结合，以及基于机器学习的智能流量控制是当前研究热点。

3. 微流控领域的前沿应用

3.1 液滴微流控（DropletMicrofluidics）

• 特点：通过两相流（如油包水）生成均一微液滴（pL–nL级），实现单分散反应单元。

• 应用：

• 单细胞分析：单细胞封装与测序（如10x Genomics技术）。

• 高通量筛选：药物候选分子、酶活性检测。

• 合成生物学：液滴中定向进化或基因回路研究。

3.2 类器官与器官芯片（Organ-on-a-Chip）

• 特点：利用微流控模拟体内微环境（如3D细胞培养、机械应力、营养梯度），构建类器官或器官功能单元。

• 应用：

• 疾病模型：肿瘤类器官用于个性化药物敏感性测试。

• 药物毒性评价：肝/肾芯片替代动物实验。

• 血管化研究：模拟血管-组织界面以研究免疫反应。

3.3 脂质纳米颗粒（LNP）合成

• 特点：微流控技术通过精准混合有机相与水相，控制LNP粒径（50–200 nm）和包封率，用于mRNA疫苗（如COVID-19疫苗）或基因治疗载体的高效制备。

• 优势：相比传统批量法，具有更高的批次间一致性，且可通过调整流速比优化颗粒特性。

3.4 即时诊断（POCT）与生物传感

• 应用：

• 传染病检测：基于微流控的PCR芯片（如COVID-19快速检测）。

• 液体活检：循环肿瘤细胞（CTC）或外泌体的捕获与分析。

• 环境监测：便携式芯片检测水质污染物或病原体。

3.5 合成化学与材料科学

• 应用：

• 纳米材料合成：可控合成量子点、金属有机框架（MOFs）。

• 连续流化学：微反应器替代传统釜式反应，提升反应效率与安全性。

4. 未来挑战与展望

微流控技术正朝着更高集成度（如片上传感器融合）、**智能化（AI驱动的实验设计）和规模化生产（3D打印、注塑成型）**方向发展。同时，跨学科融合（如与类器官、CRISPR技术的结合）将进一步拓展其在精准医学和绿色化学中的应用边界。