微流控芯片技术及应用场景

微流控芯片是科学和工程领域最酷的技术之一。它在生物、化学工程和医学检测领域的一些最前沿技术发展中发挥着重要作用。

在本指南中，我们将微流控芯片技术的概述，并解释微流控技术如何帮助科学家新发现，并向您展示如何在实验室制作自己的微流控芯片产品。

什么是微流控技术？

微流控技术是一门精确控制和操纵流体的科学技术，这些流体在几何空间上被限制在小规模流道中，通常流道系统的直径低于100µm。

对于科学家和工程师来讲，微流体一词的使用方式存在不同；对许多教授来说，微流控是一个科学领域，主要应用于通过直径在100微米（µm）到1微米之间的流道研究和操纵微量流体。

对微流控工程师来讲，微流控芯片（通常称为：芯片）的制造，主要是为了引导流体在直径为100µm至1µm的流道系统中流动。

为什么微流控芯片对我们很重要？

微流控芯片是一种在十微米级直径微小流道中的工作的系统。作为参考：1微米是一米的百万分之一。一根头发丝的直径约为：4-5µm。

在这种精密流道上工作有很多优点：微流控系统与使用培养皿和滴管的传统测试方法相比，具有使用样本量小等特点，这意味着所需实验或者检测所需昂贵化学品和试剂数量会降低不少。当遇到有毒有害物质时，微流控检测也会更安全，因为在微流控系统中有毒物质可以得到更好的控制。

微流控专家们通过使用电荷、注射泵，甚至声学方法来推动液体通过微通道。此类样品及成本控制使微流体成为药理学和生物技术领驭炙手可热的应用技术。微流控技术专家们正在开发更快、更便宜的方法来检测患者的病毒，检测土壤中的有害化学物质，尤其在动物检测领域微流控技术得到了大规模应用。

微流体与微流控有何不同？

微流体学主要是操纵和观察直径为1毫米（mm）的通道中流体的技术。虽然微流体比微流控使用更多的流体，但与传统测试方法相比，这仍然是一种微量检测方法。

有些项目中，微流体通道可获得与微流控芯片相同的效果，但微流体系统的制造显然造价更低，技术门槛也更低。

微流体系统和微流控芯片的应用

1. 生物技术

再生医学一直专注于干细胞的研究，这在很大程度上是因为干细胞能够分裂并成为其他类型的分化细胞。例如，当医生将干细PDMS胞注射到肌肉组织中时，它们可以分化并成为肌肉细胞，从而帮助修复和再生受损组织。

胚胎干细胞体外培养和发育一直是干细胞研究人员面临的最大挑战之一。主要是因为发育过程中缺乏形态发生素梯度形成和信号转导调控机制，形态发生素在刺激胚胎细胞发育方面发挥着关键作用。

瑞士洛桑联邦理工学院的科学家最近发现了一种克服这种问题的方法。Matthias Lütolf博士和他的团队复制了一种称为：原肠胚形成的胚胎干细胞发育的过程，方法是使用一种独立的微流控细胞培养系统。

The polydimethylsiloxane (PDMS)-based microfluidic cell culture device developed by EPFL scientists.

2.制药工程

3D细胞培养，除了生物技术外，微流控技术很可能会彻底改变制药工程。如：Lütolf博士和他的团队使用的微流控设备，事实上，3D细胞培养技术可能有一天会使动物试验完全被淘汰。

药物测试过程中，首先需要由体外实验开始。药物体外实验显示出有希望的结果后，下一步通常是在动物模型中进行药物测试。原因是，在进入人体临床测试之前，动物测试是科学家最接近复制人体内部发生的事情的途径和方法。

3D细胞培养为药物测试和工程提供了一个新的途径。

当前的细胞生物学研究大多仍旧在二维平面培养进行，但科学家们逐渐发现2D细胞培养存在很大的局限性：在平面培养中细胞的生长方式、形态、分化、功能等与体内生理条件存在明显差异。3D细胞培养为细胞提供更加接近体内生存条件的微环境，能够更好地模拟生理状态，从而获得与体内实验更加一致的实验结果。随着一些新的3D细胞培养技术在生物相关性、使用便利性和通量上的改进，3D细胞培养在基础研究和药物发现中的应用越来越广泛。

3. 化学工程

微流控技术正在推动化学安全及环保水平的提升，目前能够通过微通道反应器实现的化学反应有很多类，已成功应用的反应类型有：硝化反应（芳环硝化、硝酸酯制备）；低温反应；溴化和氯化反应（lv气氯化、lv气光催化氯化）；氟化反应；重氮化反应（重氮化还原、重氮化取代、重氮化偶联等）等。

4.体外诊断

微流控芯片技术使构建一种简单便携的装置用来用于生物标记物的检测成为现实，从而使未来户外即时诊断和为家庭医疗提供一种新的技术方案。生物标志物特别是蛋白质标志物快速检测是临床医学诊断、药物治疗的一个重要的数据依据，而微流控芯片技术由于其微型化和所需极少样本量（<10μL）的特点，并实现肉眼观察。