5.3. 開放式微流控技術

微流控領域的另一個新興領域是開放式微流控。最常見的配置是David Juncker等人開發(fā)的微流控探頭(MFP)的形式。2005年。MFP同時注入和吸入處理液，在其孔之間產(chǎn)生不與周圍介質對流混合的液體射流。這被稱為流體動力受限流動，允許試劑局限在樣品的一小塊區(qū)域，而不需要封閉的通道，這些通道容易堵塞，可能會引入氣泡，并具有高流體動力阻力，從而降低設備的靈敏度。這還允許MFP在高空間分辨率的液體環(huán)境中進行化學研究，從而允許在現(xiàn)場進行細胞研究。多功能一體機的設計和工作原理見圖8A。此外，MFP設置可以集成到標準光學顯微鏡中，以允許對過程進行實時監(jiān)控。目前開放的微流控技術是一個吸引人們極大興趣的領域，這項技術的例子包括單細胞分析(圖8B)、單細胞藥理學、免疫組織化學和生物圖案化，從而突出了它作為生命科學工具的靈活性。

圖8.微流控探頭示意圖(Aa)和照片(Ac)顯示流體吸入和吸入通道以及位于目標底物上方的頂端。AB顯示了探頭的示意圖，該探頭具有在浸沒液體中產(chǎn)生流動限制區(qū)域所需的典型流速和距離。。BA說明了如何使用MFP從培養(yǎng)物中移除單個細胞，而BB、BC和Bd分別顯示了該過程的前、中和后圖像。BE以定義的圖案顯示使用MFP選擇性染色的細胞，插圖顯示相位對比度和熒光圖像的重疊

5.4. 器官芯片

也許目前發(fā)展最迅速、研究最深入的微流控領域是器官芯片，這些系統(tǒng)是微流控細胞培養(yǎng)設備，其中包含模擬器官組織的活細胞。與傳統(tǒng)的二維細胞培養(yǎng)相比，這種設備有許多潛在的好處。也就是說，2D培養(yǎng)在空間組織方面不能準確地代表體內(nèi)細胞的組織，因此不能期望準確地模擬細胞的行為。此外，最近的三維培養(yǎng)技術缺乏對細胞反應重要的機械線索，而且收集用于分析的生物材料可能會被證明是困難的。另一方面，芯片上的器官系統(tǒng)旨在包含定義大多數(shù)器官的許多功能。也就是說，將細胞類型和持續(xù)的介質灌流分開的多孔膜--流體的持續(xù)流動還提供了類似于血液流動對細胞施加的力的剪切力，從而提供了更完整的器官行為模型。早期的研究集中于觀察具有一種細胞類型的單個灌注室，然而，隨著知識的進步，由多種細胞類型組成的更復雜的系統(tǒng)被開發(fā)出來，以重建體內(nèi)細胞和組織之間的界面。將微流控和微制造與細胞培養(yǎng)相結合的能力還伴隨著大量的其他優(yōu)勢。微流體的物理學意味著研究人員可以更好地控制設備中的流體流動。微通道中的層流已被用來在化學品中產(chǎn)生濃度梯度，以監(jiān)測細胞遷移等行為。此外，用于制造這些芯片的微制造方法意味著它們與傳感器兼容，這將允許更好地監(jiān)控培養(yǎng)物，并允許對細胞進行更大程度的控制。這種制造方法還意味著有可能制造出提供類似于血管或肺中所見的周期性機械應變的裝置。此外，電極可以被結合到設備中，以提供已用于腦組織研究的電場。此外，可以想象，從患者的細胞創(chuàng)建芯片上的器官系統(tǒng)是可能的，這將允許個性化藥物的開發(fā)和測試。此外，芯片上的器官裝置可以串聯(lián)起來，生產(chǎn)芯片上的人系統(tǒng)，可以用來監(jiān)測器官與器官的相互作用。Viravaidya和Shuler已經(jīng)朝著這個目標邁出了一步，他們展示了一種設備，該設備具有用于肝臟、肺、脂肪和“其他組織”細胞的單獨腔室，以期更好地了解器官之間分子的生物積累。器官芯片系統(tǒng)的其他例子包括肌肉芯片、骨骼芯片、血管芯片、肺芯片(圖9A)、腸道芯片(圖9B)和心臟芯片。目前，器官芯片類型的設備不能完全復制更復雜的器官系統(tǒng)的真實功能，因此突出了需要做更多工作的必要性。目前器官芯片研究的缺陷包括使用PDMS，如前所述，它有可能吸附可能對培養(yǎng)產(chǎn)生影響的小分子。此外，目前的微制造技術需要大量的工程知識和設備，這使得許多研究人員無法掌握這項技術。然而，由于器官芯片的所有潛在好處，可以想象，在不太遙遠的將來，這些設備可能會取代動物測試，從而降低藥物試驗的成本和時間要求。羅卡爾、普羅布斯特和洛斯基爾還假設，單個器官芯片可以結合在一起，創(chuàng)建更復雜、更靈活的器官系統(tǒng)模型。漢密爾頓和英格伯也用圖9C中所示的這個概念來假設芯片上的人系統(tǒng)。

圖9.在芯片上模擬肺功能的設備。AA.。PDMS微通道是在細胞外基質涂層的PDMS膜(覆蓋著上皮細胞和內(nèi)皮細胞)的兩側制造的，以模擬肺泡-毛細血管屏障。通過降低兩側通道中的壓力來施加機械應力，以模擬呼吸周期中肺的變形。活體肺的這種物理變形顯示在Ab.。B-Gut-on-a-Chip設備。芯片內(nèi)部的照片(BA)和示意圖(BB)。BC顯示了在設備上培養(yǎng)的人類腸道上皮細胞的相位對比圖像，而(Bd)顯示了當細胞被種到膜上時設備的滲透性是如何變化的。設備內(nèi)部形成的上皮細胞的共聚焦免疫熒光顯微圖像如BE所示。細胞核(藍色)和絨毛蛋白(黃色)染色。掃描電子顯微鏡(Bf)可見細胞表面微絨毛。C-片上人的概念。代表單個器官的芯片相互連接，以更好地模擬人體。我假設，這些設備系統(tǒng)可以用來更好地了解藥物的效果，而不需要昂貴的體內(nèi)研究。

5.5. 3D打印產(chǎn)生了影響

盡管3D打印是在20世紀80年代發(fā)明的，但直到20世紀末，3D打印才真正在微流體領域流行起來。也許商業(yè)上最成功的3D打印技術是熔融沉積成型。在這里，熱塑性塑料被加熱到其玻璃化轉變溫度(Tg)以上，并通過噴嘴以預定的圖案擠出到舞臺上。在每一層完成后，舞臺被下移，下一層被放置在頂部。這是許多商用3D打印機的操作方法。在研究環(huán)境方面，這項技術已被證明是制造交叉型鋰離子電池外殼的可行選擇，這些電池外殼可以輕松集成到MEMS中，同時足夠堅固，能夠承受充放電過程中擴展解決方案造成的壓力。

然而，3D打印的一個新興應用是快速而廉價地生產(chǎn)定制實驗室設備，以取代現(xiàn)有設備或執(zhí)行全新的協(xié)議。Leroy Cronin和他的團隊描述了3D打印的“反應器皿”，其中所有的試劑、催化劑和分析硬件都被打印出來，并包含在一個密封的環(huán)境中，這意味著處理步驟及其帶來的錯誤被降至最低。同時發(fā)現(xiàn)，反應室的幾何形狀對反應產(chǎn)物有顯著的影響。這也導致了用于還原胺化和烷基化反應的腔室的生產(chǎn)，大型多金屬氧酸鹽的合成和金納米顆粒的生產(chǎn)，以及允許在完全密封的環(huán)境中進行多步反應的印刷設備，這些設備通過改變設備的取向來控制。Comina等人。還展示了3D打印作為實驗室芯片快速成型的工具，該芯片設備能夠熒光和比色檢測過氧化氫和葡萄糖。此外，Spivey et al.。使用基于激光的立體光刻系統(tǒng)創(chuàng)建了一個微流控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以捕獲酵母細胞并移除任何后代，從而深入了解這些細胞的老化過程。

盡管能夠在幾個小時內(nèi)制造出復雜的幾何形狀，但許多負擔得起的商用3D打印機仍達不到制造微流體所需的分辨率。話雖如此，許多研究人員和業(yè)余愛好者已經(jīng)能夠組裝自制的3D打印機，成本只有商業(yè)打印機的一小部分。自制的SLA打印機通?；跀?shù)字投影儀，可以將切片圖像連續(xù)投影到浸泡在光固化樹脂中的可移動構建平臺上。對于這些基于投影儀的打印機，分辨率是與零件大小的權衡-也就是說，可以用打印機的大網(wǎng)點尺寸制作較大的零件，而使用非常精細的細節(jié)來實現(xiàn)小零件。這些項目得到了在上運行這些系統(tǒng)的許多開放源碼軟件包的開發(fā)的幫助。考慮到這一點，3D打印提供了一個平臺，在這個平臺上，可以下載開源設計的設計并在開源打印機上打印，這突顯了該技術的靈活性，并增加了其在微流體行業(yè)的吸引力。

5.6. 雙光子聚合光刻

與3D打印類似，雙光子聚合光刻(2PPL)涉及光敏樹脂的固化，以創(chuàng)建三維結構。然而，2ppl與3D打印的不同之處在于，紅外激光在可光聚合樹脂內(nèi)部的3D空間中聚焦，并通過雙光子吸收機制，只有激光聚焦的點被固化，從而提供比單光子技術更高的分辨率。然后，激光以預定的路徑掃描通過樹脂，以產(chǎn)生給定的三維結構。最先由Maruo等人描述。1997年，2ppl近年來被用于制造復雜的光子器件、結合微結構的微流體器件、用于監(jiān)測細胞在剪應力作用下的機械轉換的器件，以及由光學和微流體元件組成的器件。有了這項技術，分辨率可低至120?nm。

6. 結論：現(xiàn)在的領域在哪里？

在過去的30年里，微流控技術從最初的微電子工業(yè)到?技術支持設備的概念，發(fā)展迅速，發(fā)展到今天的多元化領域?，F(xiàn)有技術的適應和新技術的發(fā)展導致了許多設備的創(chuàng)造，使研究人員能夠以比以前更快、更高效和更自動化的方式分析系統(tǒng)。此外，還創(chuàng)造了能夠觀察過去技術難以捉摸的現(xiàn)象的設備。盡管在過去的幾十年里，已經(jīng)有過多的新設備取得了成果，但就其在化學和生命科學中的影響而言，微流體尚未充分發(fā)揮其潛力。這可能歸因于一系列原因。

首先，在過去，微流體研究人員沒有考慮他們正在創(chuàng)造的設備的最終用戶。這導致了許多新設備的制造，但這些設備在該領域未能產(chǎn)生影響。如今，越來越多的工程師在設備的設計過程中與生物學家和化學家更緊密地合作，以確保它們作為研究工具的有效性，并幫助工程師找到要解決的正確問題。應繼續(xù)鼓勵這種類型的合作，并將其不僅擴展到微流控器件的設計和功能，而且擴展到制造協(xié)議。這將允許工程師創(chuàng)建可以由幾乎沒有制造專業(yè)知識的研究人員進行的制造過程，也不能使用專業(yè)設施。已經(jīng)在3D打印等技術方面開展了工作，這種技術允許那些在制造方面沒有高水平專業(yè)知識的人制造設備，并且應該開發(fā)類似的技術，將微制造從無塵室中轉移出來(例如數(shù)字無掩模光刻系統(tǒng))。此外，這些技術的數(shù)字本質將允許研究人員免費分享和下載設備設計，并根據(jù)自己的需求進行編輯。生物學家和化學家在微細加工技術方面的進一步教育也將使這些來自不同領域的研究人員能夠設計出能夠進行這種設計并制造他們自己定制的設備。這將導致微流體作為一種標準的實驗工具得到更廣泛的采用，而不僅僅是那些能夠使用昂貴的潔凈室設施的人的一種技術。通過與來自不同研究背景的人合作，微流體的影響將不會根據(jù)設備的小小或速度來判斷，而是對設備促進突破性和有影響力的研究的能力。

其次，微流體仍然是一種學術工具，而不是一種商業(yè)上成功的工具。盡管已經(jīng)在設備的大規(guī)模生產(chǎn)方面進行了一些工作，但缺乏關于設備如何集成外部分析設備并與外部分析設備通信的標準，這意味著在一個實驗室設計的設備可能在另一個實驗室不起作用。只有在如何將芯片連接到外部世界上達成共識后，微流控才會成為一個嚴肅的行業(yè)。此外，與原型相關的制造技術并不總是轉化為大規(guī)模生產(chǎn)。從微加工母版進行PDMS鑄造是目前最常見的設備原型制作方法，然而，這項技術不能擴大到制造大量部件。這種對設備制造方式的疏忽意味著，大多數(shù)微流體初創(chuàng)公司都失敗了，因為盡管它們的原型工作得很好，但它們很難調整制造方案，以適應大規(guī)模生產(chǎn)。為了應對這一問題，必須致力于創(chuàng)建強大的制造協(xié)議，這些協(xié)議既便宜又快速，足以進行高效的原型制作，同時還提供了一條實現(xiàn)自動化工業(yè)規(guī)模制造的簡單途徑。然而，為了有必要進行這項研究，首先必須有對微流控設備的足夠需求，以便與工程界合作。這只能通過解決應促進與其他研究領域的合作這一點來實現(xiàn)。只有在需要設備的情況下，公司才能開拓這一市場，并提供標準和定制的微流體，以加快新的研究。

過去30?年的微流控技術已經(jīng)將該領域從晶體管帶到了組織，如果目前與設備設計和制造相關的障礙能夠被克服，那么未來30?年看起來將帶來一系列新技術和有影響力的研究。