微流控--引发生物化学变革的技术

微流体学既是研究流体通过微通道行为的科学，也是制造包含流体流动或受限的腔室和流道的微型设备的技术。

微流体一般指的是非常小体积的流体，低至毫升（fL），即万亿分之一升。流体在微米尺度上的行为与日常生活中的状态截然不同：如此独特的特征是新科学实验和创新的关键所在。

微流控芯片

微流体芯片是一种微通道结构，通过模具注塑、压印、浇筑、3D打印或雕刻而成。这种成型在微流控芯片中的微通道网络穿过芯片微流道的贯穿孔与宏观环境相连。通过这些路径，流体被注入到微流控芯片中，并从微流体芯片排出。流体被引导、混合、分离或操纵以实现多路、自动化和高通量的效果。精准的微通道网络设计，最终可以被设计成：芯片实验室、病原体检测、电泳、DNA分析等。

微流控技术具备多种优势：

※ 更快的反应时间；

※ 增强的分析灵敏度；

※ 增强的温度控制；

※ 便携性；

※ 更容易的自动化和并行化，实现集成在一个设备中（芯片实验室）。

※ 使用成本更便宜，微流控技术不需要使用各种昂贵的设备。

如今，微流控技术为多个研究领域提供了有效的工具：

※ 为最终用户集成和简化了整个生物过程；

※ 高通量、多路复用并行的分析；

※ 反应和/或分离时间更短，分析速度更快；

※ 便携式设备；

※ 试剂消耗低；

※ 每次分析的成本降低；

※ 精确测量，微流体可实现特定应用中提高测量分辨率。

微流体市场规模和趋势：

说了这么多好处，来说说微流控技术带给我们的市场前景。

2023年，全球微控市场规模估计为321.5亿美元，预计2024年至2030年将以12.22%的复合年增长率增长。微流控设备在各种研究和诊断领域的渗透率不断提高，预计将推动全球应用领域市场持续增长。例如，在过去十年中，适用于眼科疾病的微流体设备的数量有所增加。微流体方法已被有效地用于测定：葡萄糖水平、检测感染、诊断干眼病和评估血管内皮生长因子水平。此类应用预计将对未来几年的市场增长产生积极影响。

全球新冠肺炎病例指数级增长，推动了对微流控领域产品的需求。许多检测都是基于PCR的，这使其成为新冠肺炎诊断的首选技术。曾经为了应对全球不断上升的新冠肺炎病例，一些制造商推出了基于微流控检测的产品，并提高了产量，以满足当时日益增长的体外诊断检测需求。当与微流体相结合时，PCR技术可以加速，从而以高精度提供更快的测试结果（从大约1小时到不到10分钟）。

例如，Elvesys公司开发了一种用于检测病毒的超快速芯片聚合酶链式反应系统。该产品基于Fastgen技术，利用微流体的优势，在不到30分钟的时间内提供测试结果。此外，正在进行各种研究，以评估微流体在通过PCR技术检测新冠肺炎中的应用。曾在2021年6月，中国研究人员发表了一项研究，证明了最新的快速微流体PCR的使用。得出的结论是，使用新兴的最先进的微流体检测严重急性呼吸系统综合征冠状病毒，可以实现快速PCR测试。

微流体装置的主要优点是能够分析小体积的样品。这减少了试剂浪费的数量，并有助于保存难以生产的样品。微流体装置的引入推动了对低体积样品装置的需求。分析和临床研究人员开展的研究活动激增也推动了对微流体设备的需求。传统的基因组分析方法需要解码整个DNA，从而增加了分析成本和时间。微流体设备需要非常小体积的样本来进行数据解释。微流体的应用使传统的实验室程序能够在芯片实验室上小型化。

随着技术的进步，市场参与者现在使用微创功能以及准确性和速度来区分他们的产品。因此，微流控技术在体外诊断市场上崭露头角。此外，Abbott、Roche和Danaher等市场参与者已经将微流控技术纳入其现有的诊断设备中。数字微流控正被几个关键参与者深度研发。

随着微流控设备在研究和诊断各个领域的日益渗透，行业参与者引入了先进技术来抢占潜在的市场份额，并有望实现商业化。

2021年3月，洛施密特实验室团队与苏黎世联邦理工学院的合作伙伴一起开发了一个微流控技术平台，用于有效快速地研究酶及其性质。这一新平台已经被用于开发新的血栓溶解剂来治疗中风和研究生物发光酶的进化。此外，2019年11月，松下公司和IMT联合开发了一种利用玻璃成型大规模生产微流体设备的技术。与传统的玻璃蚀刻技术相比，该技术使用低成本和高精度的大规模生产。这些设备可用于生物、环境和医疗应用中的分析和传感，因此再未来可期待的期限内推动市场增长。

微流控技术见解

基于微流控技术，集成芯片实验室在2023年占据市场主导地位，预计在预测期内复合年增长率为11.06%。集成芯片实验室允许对DNA探针进行快速测序。由于应用PCR技术的DNA扩增依赖于热循环，集成芯片实验室在微尺度水平上进行高速热位移。最快的qPCR系统，可以在7分钟内检测细菌和病毒。此外，与使用阵列技术的实际芯片实验室相比，纳米孔技术在促进DNA探针的快速基因组测序方面具有巨大潜力。类似，这些系统为免疫测定提供了有利可图的机会，当通过微观技术进行检测时，免疫测定可以在10秒内而不是10分钟内进行。因此，使用芯片上集成实验操作在超快速检测病毒和细菌方面具有更大的潜力。

微流控芯片的研究最近在细胞生物学方面也显示出了巨大的潜力。此类微流控芯片技术验证了在短时间内处理大量细胞的同时在单细胞水平上可调节细胞的能力，此类系统还用于干细胞分化、微膜片钳、细胞分选和高速流式细胞术。

类器官芯片领域预计从2024-2030年将以17.21%的可观增长率增长。这些模型在药物发现和开发中发挥着重要作用。自2012年以来，NCATS通过其药物筛选组织芯片计划，与美国食品药品监督管理局和其他国家卫生研究所（NIH）中心一起，专注于药物发现过程中的类器官芯片的研究。设计人体组织芯片，精确模拟人体器官的结构和功能，包括心脏、肝脏和肺部，类器官芯片的开发有望更有效、更快地发现人类的药物安全性。

微流控市场洞见

微流控类产品：北美在2023年以42.69%的销售份额占据市场的主导地位，在未来的复合年增长率为10.57%。

中国在“中国制造2025”的计划将重点放在医疗器械和药品上。作为生命科学和诊断应用的重要工具，微流体技术有望从这一战略计划的角度受益。目前中国市场微流控技术年复合增长率达到28%。

微流控市场动态

微流控芯片技术具有分析小样本体积的能力，从而减少了试剂浪费，并保存了难以生产的样本，因此具有显著优势。微流控芯片装置的出现刺激了对低体积样品分析的需求。分析和临床研究人员越来越多地参与研究活动，进一步推动了微流控设备的采用。传统的基因组分析方法需要解码整个DNA，从而产生更高的成本和时间。相比之下，微流控设备需要仅需要最小的样本体积就可以进行数据分析。2023年7月，Biotech Fluidics推出了专为纳米和微流体系统量身定制的创新低容量在线脱气模块，适用于药物筛选、核酸测序、诊断和组织培养。

过去的十年里，适用于评估眼科疾病的微流控设备的可用性有所增加。这些微流控方法已被证明在确定葡萄糖水平、检测感染、诊断干眼病和评估血管内皮生长因子水平方面有效。最近的一些微流体技术已经利用隐形眼镜技术来提供治疗和诊断方法。例如，Guan等人开发了一种芯片上的隐形眼镜，作为精准医学的诊断工具，能够使用少量泪液定量微生物和蛋白质生物负载。此外，伦敦帝国理工学院的研究人员设计了一种解吸电喷雾电离质谱法，作为快速分析粘膜液的潜在护理点诊断方法。值得注意的发展还包括对鼻腔分泌物进行小体积样本分析，以检查传染病和过敏性疾病。

微流控市场洞见

根据应用情况，医疗部门在2023年占据了最高的市场收入份额，预计2024-2030年的复合年增长率为12.56%。微流体被认为是生物分析、化学合成和信息技术中的一项重要技术。通过微流体实现的传统实验室设备和技术的小型化带来了一些进步，包括试剂的最小使用量和来自小样本量的最大信息量、简短而简单的分析协议、改进的样本和筛选方法的并行处理，以及对细胞微环境的精确时空控制。

微流控不仅在生物学实践中被证明技术优势明显，而且在一些医学和药物应用中也被证明是可以大大提高效率和降低成本，包括：传染病诊断、癌症的治疗以及功能性活组织和人工器官的制造。例如：2022年8月，美国亚特兰大电气与计算机工程学院开发了Cluster-Well芯片，该芯片利用微流体芯片的精度来检测转移性癌症，并实现对癌症的快速简便治疗。

研究人员专注于开发能够进行高精度PCR的集成微流体设备。此外，在微流体芯片上进行的PCR具有速度、并行性和灵敏度等优点。例如，2022年10月，有公司推出了X9实时PCR系统，使用微流体技术提供灵活高效的高容量基因组学平台。此外，微流体PCR设备提供了自动制备PCR反应混合物的能力，这反过来又将假阳性和人为错误污染的风险降至最低。

微流控材料

微流控芯片领域，聚二甲基硅氧烷（PDMS）细分市场在2023年占据了最高的市场份额，预计从2024-2030年将以13.59%的复合年增长率增长。PDMS是一种在微流体中广泛使用的聚合物，因为该材料具有几个优点:无毒、坚固、光学透明、对气体和氧气的渗透性、生物相容性、弹性体特征、低成本以及通过堆叠多层来设计复杂的微流体装置。

众所周知，PDMS具有生物相容性、渗透性和低水平的自发荧光，预计在预测期内，该材料将在生物技术和生物医学工程等几个应用中获得显著的增长。

然而，这些聚合物是疏水性的，这使得微通道难以在水溶液中操作，因为疏水性分析物吸附在PDMS的表面上，这往往会阻碍分析，这些因素可能会限制PDMS材料更进一步被应用。