自上個(gè)世紀(jì)80年代初問世以來，微流控技術(shù)的發(fā)展受到來自工程、物理、化學(xué)、生物化學(xué)、納米技術(shù)和生物技術(shù)等多門學(xué)科的綜合影響，正在不斷擴(kuò)展其生物醫(yī)學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用范圍及其相關(guān)下游應(yīng)用。例如，有許多生物醫(yī)學(xué)和研究應(yīng)用都通過微量流體處理，來實(shí)現(xiàn)復(fù)選、自動(dòng)化和高通量篩選。

微流控技術(shù)的實(shí)施依賴于對(duì)約束在小型器件內(nèi)部流體的精確控制和操作。被稱為“微流控芯片”的器件內(nèi)部，包含由硅、玻璃或塑料等材料通過蝕刻或注塑而成型的微通道。與宏觀尺度分析系統(tǒng)（如基于微板或微管道的系統(tǒng)）相比，微流控分析系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢(shì)，如顯著縮減反應(yīng)時(shí)間、減小尺寸、減少分析時(shí)間、提高試劑利用率以及更低的成本。

通常而言，微流控芯片處理的流體量為納升到皮升數(shù)量級(jí)?；诿?xì)管（被動(dòng)）、微泵和微閥（主動(dòng)）的微流體控制技術(shù)都已經(jīng)被開發(fā)出來。微流控技術(shù)的實(shí)用性被大大提高，緊跟細(xì)胞生物學(xué)、分子診斷、蛋白質(zhì)組學(xué)以及DNA測序領(lǐng)域的研究和發(fā)展步伐。微流控技術(shù)更為人熟知的應(yīng)用為噴墨打印頭、芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)以及用于毒素或病原體監(jiān)測的生物傳感器。

據(jù)息，7月11-12日，將在美國費(fèi)城舉辦一場微流控會(huì)議，該會(huì)議將帶來微流控領(lǐng)域的最新發(fā)展和應(yīng)用。這次會(huì)議的演講內(nèi)容將包括微流控的發(fā)展策略及其技術(shù)進(jìn)展、案例研究以及在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)企業(yè)、科學(xué)家和研究學(xué)者都將出席并參與分享。GEN雜志在開會(huì)前夕采訪了部分與會(huì)科學(xué)家，邀請(qǐng)他們分享了他們將在大會(huì)上介紹的關(guān)于微流控技術(shù)領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的獨(dú)特進(jìn)展。

微型聲流控（Microscale Acoustofluidics）

賓夕法尼亞州立大學(xué)（Pennsylvania State University）生物工程科學(xué)與力學(xué)教授黃竣（Tony Jun Huang）博士，將展示一項(xiàng)稱為聲流控的創(chuàng)新型技術(shù)。他將為大家?guī)碓S多融合聲學(xué)和流體學(xué)技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不僅通過了概念驗(yàn)證階段，還證明了其生物相容性。

微型聲流控系統(tǒng)的功率強(qiáng)度和頻率保持在生物相容性范圍內(nèi)。從本質(zhì)上說，聲流控系統(tǒng)處理過程并不會(huì)改變細(xì)胞特性。黃博士表示：“微型聲流控系統(tǒng)中的能量強(qiáng)度，與用于懷孕檢測的超聲波成像相當(dāng)，，而后者已經(jīng)驗(yàn)證了其內(nèi)在安全性?！?/span>

聲學(xué)“鑷子”從血細(xì)胞中分離循環(huán)腫瘤細(xì)胞的過程

實(shí)際上，從生物學(xué)上來說，該技術(shù)非常溫和，能夠應(yīng)用于蛋白質(zhì)、高分子量DNA的轉(zhuǎn)運(yùn)，并能夠在不破壞或細(xì)胞不失活的前提下轉(zhuǎn)運(yùn)活體細(xì)胞，因此該技術(shù)適用于多種應(yīng)用，如蛋白質(zhì)組學(xué)和基于細(xì)胞的分析等。這款聲流控裝置的尺寸和手機(jī)差不多，且價(jià)格低廉，能夠提供高精度、高通量、高效率的細(xì)胞/顆粒/流體轉(zhuǎn)運(yùn)。

黃博士想要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的下游應(yīng)用之一，是循環(huán)腫瘤細(xì)胞的檢測和分離，該方法可用于癌癥診斷。他表示“該技術(shù)擅長罕見細(xì)胞的檢測和分離，它能夠分離并保存完整的細(xì)胞，用于之后的遺傳型潛在治療分析?！?/span>

毛細(xì)管微流控

麥吉爾大學(xué)（McGill University）生物醫(yī)學(xué)工程副教授David Juncker博士將闡述毛細(xì)管微流控系統(tǒng)，一種用于免疫分析和細(xì)菌檢測的快速成型技術(shù)。Juncker博士將描述如何使用親水性材料（主要是硅基芯片），通過蝕刻專門設(shè)計(jì)的微通道，實(shí)現(xiàn)流體控制的毛細(xì)管流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。Juncker博士用“更復(fù)雜的流體通道實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的流體功能”來形容該系統(tǒng)。

Juncker博士帶領(lǐng)著一支來自麥吉爾大學(xué)微納米生物工程實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)。該實(shí)驗(yàn)室研究一維毛細(xì)管微流體技術(shù)，從線型連續(xù)流動(dòng)到串型數(shù)字毛細(xì)管微流體液滴?！拔覀儼丫€型微流體和串型微液滴作為混合器，并且正在驗(yàn)證該想法在組織工程學(xué)領(lǐng)域的可行性?！?/span>

該實(shí)驗(yàn)室的部分下游應(yīng)用包括心臟病免疫分析和尿路感染（urinary tract infections, UTIs)細(xì)菌檢測。Juncker博士指出：“我們推出的基于毛細(xì)管微流控技術(shù)的尿路感染的大腸桿菌檢測（E. coli），所需檢測時(shí)間大約為7分鐘，而經(jīng)典培養(yǎng)法的檢測時(shí)間往往需要幾個(gè)小時(shí)到幾天不等?！贝蠖鄶?shù)輸入的樣本都可以進(jìn)行測試，如尿液、血清和血漿。Juncker博士繼續(xù)說道，“借助這種方法，我們可以通過免疫抗體檢測得出細(xì)菌總數(shù)?！?/span>

他把這種用于快速細(xì)菌檢測的3D打印工藝稱為“為學(xué)生而變革（transformative for students）”的技術(shù)，因?yàn)閮H需花費(fèi)半個(gè)到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間就可以設(shè)計(jì)并制備出原型樣機(jī)，并可以在需要的時(shí)候快速的對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。Juncker博士宣稱，“這樣能幫助學(xué)生通過反復(fù)使用該3D打印工藝，盡快克服他們所遇到的困難，并創(chuàng)建更多復(fù)雜的微流體管路?！彼膱F(tuán)隊(duì)融合了生物材料、能源、流體力學(xué)、免疫學(xué)以及微生物學(xué)等多學(xué)科的專業(yè)知識(shí)。

Juncker博士及其同事著作頗豐，自2013年以來，他們已經(jīng)在多本雜志上發(fā)表了超過21篇論文。Juncker博士說，“我們也正打算進(jìn)一步探索DNA測試領(lǐng)域，作為我們研究成果的下一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。”

紙基微流控

科羅拉多州立大學(xué)（Colorado State University）化學(xué)教授兼Henry集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)人Charles Henry博士，將在會(huì)議上闡述用于人類臨床試驗(yàn)和環(huán)境診斷的紙基微流控芯片的近期發(fā)展。紙基微流控器件的優(yōu)勢(shì)包括潛在的易用性、低成本和易處置性。

“從普通沃特曼濾紙到復(fù)印紙，我們已經(jīng)測試并使用了所有類型的紙張。” Henry博士表示，在疾病診斷應(yīng)用領(lǐng)域，Henry集團(tuán)與科羅拉多州立大學(xué)的獸醫(yī)學(xué)、微生物學(xué)、心理學(xué)及其它部門展開合作，開發(fā)包括西尼羅河病毒、中東呼吸綜合癥、肺結(jié)核、人類乳突病毒和寨卡病毒在內(nèi)的單個(gè)和多重細(xì)菌、病毒靶標(biāo)分析。

就臨床診斷而言，Henry博士指出：“最近，他們專注于使用紙基矩陣微流控芯片應(yīng)用于肽核酸的比色檢測分析，該分析可用于細(xì)菌和病毒的快速檢測?！?/span>

Henry博士集結(jié)了一支國際合作團(tuán)隊(duì)，研究將紙基微流控芯片應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控和檢測 ，并已就相關(guān)主題發(fā)表了多篇論文。他們的研究專注于個(gè)體暴露環(huán)境下的金屬檢測和有機(jī)物反應(yīng)評(píng)估，就快速反應(yīng)和敏感度分析而言，多孔微流控芯片在該應(yīng)用領(lǐng)域能夠提供獨(dú)特的分析能力，而且其價(jià)格很便宜。他們發(fā)表的紙基微流控芯片論文將電化學(xué)和比色檢測結(jié)合在一起，應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的金和鐵金屬的快速篩查。

“紙基微流控傳感技術(shù)的另一個(gè)應(yīng)用是可以作為可穿戴PM2.5檢測裝置，應(yīng)用于死亡率或發(fā)病率篩查的環(huán)境檢測?！盚enry博士解釋道。他們近期的另一個(gè)研究項(xiàng)目，是利用光刻技術(shù)在濾紙上制作微流體通道，將電化學(xué)檢測和紙基微流控器件相結(jié)合。Henry博士及其團(tuán)隊(duì)使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在紙基微流控裝置上制備電極，通過氧化酶反應(yīng)來測定生物樣本中葡萄糖、乳酸和尿酸的含量，并證明了其實(shí)用性。

液滴微流控

加拿大液滴微流控和芯片實(shí)驗(yàn)室研究會(huì)主席，滑鐵盧大學(xué)（University of Waterloo）機(jī)械與機(jī)電工程系教授Carolyn Ren博士，將在會(huì)議上發(fā)表關(guān)于一種高通量篩選分析使能技術(shù)——液滴微流控的主題演講。她將描述幾個(gè)運(yùn)用納升尺寸液滴進(jìn)行高通量篩選的應(yīng)用案例。Ren博士的實(shí)驗(yàn)室評(píng)估了氣-液分析系統(tǒng)，以及依賴于兩種不混溶液體的液滴微流控分析系統(tǒng)。

“本次演講的重點(diǎn)主要關(guān)于液相液滴微流控，”Ren博士說，“涉及液滴生成、捕獲和分選等基本傳輸現(xiàn)象，以及液滴幾何形狀的物理建模，最終，液滴將在丁字型交叉節(jié)點(diǎn)完成分選?！?/span>

在她的實(shí)驗(yàn)中，液滴微流控器件所需的納升級(jí)液體試劑量，相比基于微板的分析，降低了大約1000倍?！斑@是一項(xiàng)能夠平臺(tái)化的技術(shù)，能夠應(yīng)用于藥物篩選、DNA檢測、蛋白質(zhì)結(jié)晶及其它應(yīng)用。”Ren博士表示，“樣本被封裝到液滴內(nèi)（就像水滴進(jìn)入油性流體微通道）產(chǎn)生均勻一致的液滴，每個(gè)液滴相當(dāng)于一個(gè)微型反應(yīng)器?！盧en博士的微流控芯片實(shí)驗(yàn)室的研究也包含電學(xué)傳感機(jī)理，如電容和微波傳感技術(shù)等。

生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景

微流控技術(shù)從材料、設(shè)計(jì)到下游應(yīng)用的各種進(jìn)步，都將在本次微流體會(huì)議上一一討論，尤其是微流控材料、設(shè)計(jì)、控制相關(guān)的新技術(shù)、策略和方法，以及微流控技術(shù)在生物研究/生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。從新材料的開發(fā)，到計(jì)量精度和液體處理控制的改善，微流控技術(shù)正循序漸進(jìn)地飛速發(fā)展著。此外，液滴、數(shù)字化、離心式和聲學(xué)微流控技術(shù)也在持續(xù)不斷地完善中。

經(jīng)過生物醫(yī)學(xué)科學(xué)家和臨床醫(yī)師試驗(yàn)證明的功能性微流控應(yīng)用正在不斷擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域和使用范圍。這些應(yīng)用包含細(xì)胞、蛋白質(zhì)、免疫、核酸、生物病原體（細(xì)菌和病毒）、化學(xué)和環(huán)境監(jiān)測等多種分析。許多未來的生物醫(yī)學(xué)問題，從大分子診斷到合成生物學(xué)，其中的部分研究以及指向邏輯解決方案的應(yīng)用路徑都將包含特定類型的微流控技術(shù)。