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微流控展望：前景与挑战

发布日期：2024-01-09点击量：871次编辑：szbyjy_admin

来源：微流控学习、微纳传感

大家好，今天为大家分享的一篇于2022年发表在Lab on a Chip期刊的文献，文章的题目为“An outlook on microfluidics: the promise and the challenge”。文章重点介绍了微流体已经或可以做出重要贡献的应用，包括诊断、食品安全和材料生产。微流控的成功有几种形式，包括流体力学的基本创新，能够在小尺度上精确操纵流体，以及用于商业目的的便携式微流控芯片的开发。我们确定了突出的技术挑战，其解决方案可以增加微流体对具有科学和非技术背景的用户的可访问性。它们包括样品制备程序的简化，实验室和商业环境中微流控装置生产材料的识别，以及用微流控装置操作的自动化组件替换辅助设备。本文的作者是 Sarah Battat，David A. Weitz和David A. Weitz。

背景介绍

自该领域建立以来，我们对微流体的理解——流体流动的行为以及如何在微米尺度上控制它们——得到了迅速的发展这些进展使得微流体技术在生物技术、医疗保健和材料科学等领域的成功应用成为可能。样品中的单个成分通常可以单独分离和分析，反应流体流可以精确混合以合成具有特定形状或成分的材料。例如，微流体是下一代基因组测序平台的重要工具。它是常见诊断测试的一个组成部分，如妊娠测试、尿试纸和监测血糖水平的试纸。在单细胞分析中，它使小型化的分析能够在皮升大小的液滴中进行，这些液滴是通过高通量工艺产生的，含有单个细胞。这些检测可以探测细胞对外源因素的反应，如抗原、环境应激源或其他生物分子。它们也可以设计用于单细胞测序，通过在测序之前为单个细胞的基因组信息分配标签或条形码。未来将有令人兴奋的机会进行微流控的基础研究，并致力于微流控的商业应用。我们对微米尺度流动的理解的进步在很大程度上使当前的应用成为可能。微流体特别适合于需要精确控制或操纵流体的应用，无论是在小长度尺度上还是在小数量上。微流体已经被证明在即时诊断和材料生产领域是成功的。尽管如此，我们认为这些领域还有待充分探索。

此外，食品安全等应用将受益于或可能需要新型微流体装置来取样和识别产品的成分。对商业应用和相关技术挑战的认识可以指导未来的研究。

微流控装置可以作为独立技术开发，也可以作为包含非微流控组件的系统的一部分。通常用于研究和开发的制造方法，包括软光刻和玻璃微细血管，使技术和学术方面的快速进步成为可能;然而，过渡到用商业材料生产设备仍然很困难。此外，使用微流体装置的系统通常需要熟练的操作员，外部设备和繁琐的样品制备程序。

应用领域

1、诊断学

微流控在生物医学诊断方面取得了成功，尽管微流控成分可能隐藏在其他类型的复杂系统中。随着该领域的不断发展，将实现新的功能。微流控技术将通过测序和单细胞分析来精确诊断疾病遗传信息也许能揭示病人对潜在药物的反应。细菌对联合使用抗生素的敏感性可以指导治疗病原体，如细菌和病毒或生物标志物，包括细胞外囊泡和循环肿瘤细胞，可以高度特异性地识别。直接从血液中识别罕见细菌的能力将避免耗时的细菌培养程序，并将使败血症的早期诊断成为可能。所有这些应用中仍然存在的挑战包括设备设计、设备生产规模扩大和测试成本。

微流体技术在快速、即时诊断方面有许多成功的应用，包括妊娠测试、性传播疾病测试和血糖监测试纸。这些测试是便携式的，价格合理，易于使用，并且可以大规模部署;因此，它们将适用于跟踪传染病的传播，如COVID-19，结核病和性传播感染，如艾滋病毒，梅毒和沙眼衣原体。未来的研究工作应侧重于扩大可诊断疾病的范围，降低检测成本，并提高其特异性。例如，由纸制成的微流体装置制作简单，通过在纸上绘制疏水和亲水区域来引导含水流体的流动，并且可以焚烧以安全处置。试验区可以浸渍试剂，根据血液或尿液中生理相关化合物的浓度产生可见的颜色变化在低收入和中等收入国家，由于大部分影响预期寿命的疾病无法通过大多数初级卫生保健诊所提供的检测来诊断，因此迫切需要这类检测。然而，监管部门批准的费用高昂，限制了简单微流体诊断测试的盈利能力。因此，这种测试的广泛部署，特别是在中低收入国家，是一个真正的挑战。

2、治疗学

微流体技术可以作为发展治疗方法的一种工具。例如，可以筛选用于治疗的候选抗体。原则上，人类肠道微生物组可以被描述为制定炎症性肠病的治疗方法。药物的毒性和有效性可以通过器官芯片来评估。脂质纳米颗粒可以使用微流体装置配制。因此，微流体为治疗发现和验证提供了无数的机会。

3、食品和消费品安全

微流体可以在杂货店使用吗？微流体技术可作为食品、农业和消费品质量控制的一种工具例如，在食品领域，必须防止食品：(i)被大肠杆菌等致病菌污染，(ii)储存不当，(iii)故意掺假，如婴儿配方奶粉被三聚氰胺污染，(iv)贴错标签。微流体装置的原型已经开发出来，用于检测食源性致病菌;这些技术的范围从微针阵列到智能包装。在销售点或消费点用于筛选或基因组测序的经济和简单的微流体测试将改善食品安全。例如，能够识别贴错标签的海鲜产品或转基因生物。食品的可变性也对微流体技术的应用提出了重要的挑战，因为样品制备的差异很大。事实上，了解如何对食物取样以获得其成分的完整和代表性描述是一个令人振奋的研究机会。

4、材料生产

微流控装置可用于生产材料和化学品，因为反应流体流的流速和组成可以精确控制。这种流动控制特别有利，因为材料可以连续生成。多种乳剂可用于制造含有特殊内容物的液滴或核壳颗粒，例如活性药物制剂或化妆品化合物，并且原位聚合可以合成具有特定形状或组合物的颗粒。颗粒有多种应用，从个人护理到药物输送。通过封装和制造具有可复制尺寸和所需成分的材料的能力，这些应用肯定会扩大产品的附加值。

在微流控平台中，传热、传质和混合可以精确控制用于化学合成。反应发生在小尺度和小体积下。与大型反应器相比，化学反应物可以在更短的时间内达到目标温度，并且可以实现亚毫秒的混合时间。由于减少了人工处理步骤和反应化学品的体积，安全性可以得到提高，并且可以实现便携性。连续流动平台可用于制造或消耗活性药物成分，或按需生产有毒或爆炸性化学品，如异氰酸酯、氰化物、过氧化物和叠氮化物。微流体在合成中的应用将会扩大，因为它很容易为所需的应用定制产品。开发微流控反应器时需要考虑的因素包括设备对化学降解的抵抗力以及建立所需反应条件所需的时间，因为它与反应动力学有关。

技术挑战

1、微流控装置制造的放大材料

目前，大多数学术实验室使用软光刻技术从聚二甲基硅氧烷生产微流控装置。聚二甲基硅氧烷(PDMS)有许多吸引人的特点：是光学透明的，这使得样品可以通过设备成像；表面可进行处理和密封；是柔顺的，这使得它很容易从模具中移除，它与其他表面的保形接触或粘附；对许多气体和一些液态蒸汽是可渗透的，这在为细胞生长建立富氧环境时是有利的，在重要的是限制水从水溶液中蒸发时就不理想了。尽管有这些特点，它的处理是耗时的。它很难密封。它在许多非极性有机溶剂的存在下膨胀，这限制了可以与它结合使用的疏水化学物质。它选择性地从与之接触的水流中提取疏水分子，其表面处理难以维持。鉴于这些缺点，定在研究和工业环境中易于和廉价使用的经济实惠的材料和工艺，在扩大微流体装置的生产方面提出了重大挑战。

我们需要的材料既要价格合理，又要便于在实验室实验中少量加工，同时又要能经济地大规模生产，用于商业用途。它们应该具有广泛的溶剂相容性，并形成耐用的密封，以避免泄漏。当使用多种类型的流体时，界面特性会强烈影响流体的流动行为，因此它们应该适合于油管端口的创建和表面功能化。要用一种材料实现这种方法，该材料必须适应多种加工方法，这些方法可以在台式和工业规模的工厂中执行，例如快速成型和注射成型。或者，可以考虑两步工艺，其中一种材料适用于研究，另一种材料适用于商业生产，并可以建立在两种材料之间过渡的协议。这两种方法都将简化学术或研究实验室制造的设备向面向大众市场的工业规模生产的转移。

微流控装置可以从热塑性塑料铸造，包括聚苯乙烯，聚碳酸酯，和环烯烃共聚物，硅，或玻璃。热压印、激光切割、纸基设备蜡印、3D打印等技术已经测试了不同的结果。未来的工作应该集中在确定材料与加工技术相结合，以满足所需应用的尺寸，溶剂和粘合要求

2、微流控装置的操作和样品处理

许多微流控装置依赖于外部设备。该设备——体泵，压缩气体管线，显微镜，计算机，或电源插座——可以是不可或缺的设备的操作。通过用更小的组件取代设备，甚至可能是微流控形式的等效组件，这些组件可以集成到具有简单用户界面的机器中，微流控设备可以变得更容易获得，更经济，更可扩展。这些类似物应与工业标准制造程序兼容，例如注塑或压花，并且不应明显增加设备的成本。此外，任务的机器自动化可能比人工干预更可取，特别是如果劳动力成本高，可用性有限，并且参与设备的操作阻碍。这种自动化将减少对训练有素的操作员的需求，并使设备更容易使用。

在将样品装入设备之前，通常必须使用辅助设备(如真空线、离心机、过滤器或质量天平)对样品进行准备。在某些情况下，程序是明确的，所需的样品量是预先确定的。在其他情况下，样品可能需要浸渍、稀释、过滤、离心、和/或孵育，而样品收集的适当数量和方法仍然不明确。在任何一种情况下，当前的样品制备程序都需要时间，涉及昂贵的基础设施和/或需要人工干预。在实践中，这些要求限制了微流体技术的应用;熟练技术人员或专业设备的可用性和成本等因素变得至关重要。例如，痰(一种用于诊断呼吸道疾病的高粘性标本)的制备需要训练有素的技术人员和外部设备，包括涡旋混合器、离心机和过滤器;因此，开发用于痰液液化的无电源微流控芯片在低收入和中等收入国家中是非常宝贵的。通过简化样品制备，例如设计完成与样品制备相关的基本操作的微流控芯片，微流控的可及性也将得到改善。此外，研究人员应该确定样品制备的操作是通用的，或适用于多种应用。

3、微流控芯片的可编程性

微流控芯片不同于微电子处理器：前者不能被编程，它们的设计通常是针对特定的应用。研究人员试图改变这种模式，生产可编程微流控芯片；然而，进展缓慢，广泛的商业应用受到可靠性、通用性和成本等问题的阻碍。相反，直接的实际挑战是将离散的微流控芯片集成到一个单一的系统中，每个微流控芯片执行特定的功能。每个组件独立可靠地工作，但具有独特的流量要求、几何特征和驱动模式，这使得与其他具有不同规格(有时不兼容)的组件连接变得困难。应该改进元件芯片的设计，使其与更大规模的系统兼容。

总结

随着技术挑战的解决和应用的确定，微流控技术将发挥新的作用。

鉴定用于设备商业生产的材料和简化制备样品的程序将使芯片能够更有效地开发。流体处理方面的进步将导致辅助设备的消除，并改进了独立微流体芯片的集成。微流体的可及性将通过开发价格合理且商业上可行的材料得到改善:

•具有广泛溶剂相容性的材料，可以从研究和开发用途转化为商业生产；

•不需要外部泵的流体移动方法；

•微流控芯片，完成特定的样品制备，如预浓缩，纯化和粗分离。

我们相信，更简单、适应性更强的微流控技术将非常适合在诊断、食品安全、材料和化学品生产方面的应用。最终，我们设想在未来，微流控设备可以用于医生办公室进行诊断测试，在实验室发现治疗方法，在杂货店或家中验证食品的成分和安全性，以及在制造设施中制造工业材料。我们希望微流控技术能够成为一种我们都可以依赖的技术。

参考

[1] DOI https://doi.org/10.1039/D1LC00731A

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