什(shen)麽是(shi)微流(liu)體(ti)？它(ta)的未(wei)來(lai)是(shi)什麽？

微流(liu)體(ti)技(ji)術(shu)是(shi)指在(zai)微觀尺寸(cun)下(xia)控(kong)制(zhi)、操(cao)作(zuo)和檢(jian)測(ce)復雜(za)流(liu)體(ti)的(de)技術(shu)，是(shi)在(zai)微電子、微機械(xie)、生(sheng)物(wu)工(gong)程(cheng)和納米(mi)技(ji)術(shu)基(ji)礎(chu)上(shang)發展起(qi)來(lai)的(de)壹(yi)門(men)全(quan)新(xin)交(jiao)叉(cha)學(xue)科(ke)。

在(zai)生(sheng)物(wu)、化(hua)學(xue)、材料等(deng)科(ke)學(xue)實驗(yan)中，經(jing)常需要對(dui)流(liu)體(ti)進(jin)行(xing)操(cao)作(zuo)，如樣品(pin)DNA的(de)制(zhi)備(bei)、液(ye)相(xiang)色(se)譜(pu)、PCR反應(ying)、電(dian)泳(yong)檢(jian)測(ce)等操(cao)作(zuo)都是(shi)在(zai)液(ye)相(xiang)環(huan)境(jing)中進(jin)行(xing)。如(ru)果(guo)要將樣品(pin)制(zhi)備(bei)、生(sheng)化(hua)反(fan)應(ying)、結(jie)果(guo)檢(jian)測(ce)等步驟集(ji)成(cheng)到(dao)生(sheng)物(wu)芯片上(shang)，則(ze)實驗(yan)所(suo)用(yong)流(liu)體(ti)的(de)量(liang)就從毫(hao)升、微升級降(jiang)至(zhi)納升或(huo)皮(pi)升級，這時功能強(qiang)大(da)的微流(liu)體(ti)裝(zhuang)置就顯(xian)得非(fei)常(chang)重要了(le)。因此隨著(zhe)生(sheng)物(wu)芯片技(ji)術(shu)的(de)發展，微流(liu)體(ti)技(ji)術(shu)作(zuo)為生(sheng)物(wu)芯片的(de)壹(yi)項(xiang)關鍵支撐技(ji)術(shu)也(ye)得到(dao)了(le)人們(men)越來(lai)越多的(de)關註(zhu)。

與(yu)微電子技(ji)術(shu)不(bu)同，微流(liu)體(ti)技(ji)術(shu)不(bu)強調減(jian)小(xiao)器(qi)件的尺寸，它(ta)著(zhe)重(zhong)於構建微流(liu)體(ti)通(tong)道(dao)系統(tong)來(lai)實現(xian)各(ge)種復雜(za)的微流(liu)體(ti)操(cao)縱(zong)功能。與(yu)宏觀流(liu)體(ti)系(xi)統類(lei)似(si)，微流(liu)體(ti)系(xi)統所(suo)需的(de)器(qi)件(jian)也(ye)包括泵(beng)、閥、混合(he)器(qi)、過(guo)濾(lv)器(qi)、分離(li)器等(deng)。盡管(guan)與微電子器(qi)件(jian)相(xiang)比，微通道(dao)的尺(chi)寸顯得相(xiang)當(dang)大，但(dan)實際上(shang)這個(ge)尺(chi)寸(cun)對(dui)於流(liu)體(ti)而(er)言已經(jing)是(shi)非常小(xiao)。微通道(dao)中的(de)流(liu)體(ti)流(liu)動(dong)行(xing)為(wei)與(yu)人們(men)在(zai)日(ri)常(chang)生(sheng)活中所(suo)見的(de)宏觀流(liu)體(ti)流(liu)動(dong)行(xing)為(wei)有(you)著(zhe)本質的(de)差(cha)別(bie)，因此微泵、微閥、微混合器(qi)、微過(guo)濾(lv)器(qi)、微分離(li)器等(deng)微型(xing)器件(jian)往(wang)往(wang)都(dou)與(yu)相(xiang)應(ying)的(de)宏觀器(qi)件差(cha)別(bie)甚(shen)大(da)。

為了(le)精準(zhun)設計(ji)微流(liu)體(ti)系(xi)統中所(suo)需的(de)器(qi)件(jian)，首先要確(que)定微通道(dao)中流(liu)體(ti)的(de)流(liu)動(dong)性(xing)質。人(ren)們(men)利用(yong)共焦(jiao)顯微鏡成(cheng)像技術(shu)可(ke)以方便(bian)地(di)對(dui)微通道(dao)中的(de)流(liu)動(dong)過(guo)程(cheng)進行(xing)量(liang)化(hua)，達(da)到了(le)以往(wang)無(wu)法(fa)實現(xian)的(de)高分辨率。first微流(liu)體(ti)器(qi)件由英(ying)國帝國理工(gong)大(da)學(xue)（Imperial College）的曼(man)齊(qi)（A． Manz）、美(mei)國橡樹(shu)嶺(ling)國家實驗(yan)室(shi)的(de)拉姆齊（M． Ramsey）等(deng)科(ke)學(xue)家在(zai)1990年代初(chu)研(yan)制成(cheng)功。該器件(jian)是(shi)利用(yong)常規(gui)的(de)平(ping)面加(jia)工工藝(yi)（光(guang)刻(ke)、腐蝕(shi)等）在(zai)矽(gui)、玻璃(li)上(shang)制(zhi)作(zuo)的。盡管(guan)這種制(zhi)作(zuo)方法(fa)非(fei)常精(jing)密(mi)，但(dan)成(cheng)本高，且不(bu)靈(ling)活，無(wu)法(fa)適應(ying)研(yan)發需求(qiu)。懷(huai)特(te)賽茲（G． M． Whitesides）等人又提出(chu)壹(yi)種(zhong)“軟(ruan)光(guang)刻(ke)”微加工方法(fa)，即(ji)在(zai)有(you)機(ji)材(cai)料(liao)上(shang)印(yin)制(zhi)、成(cheng)型(xing)出(chu)微結構，從而(er)能方便(bian)地(di)加工(gong)原型(xing)器件(jian)和專(zhuan)用(yong)器件。另(ling)外這個(ge)方法(fa)還(hai)能構(gou)建出(chu)三維微通道(dao)結構(gou)，並能在(zai)更高層次(ci)上(shang)控(kong)制微流(liu)體(ti)通(tong)道(dao)表(biao)面的(de)分子(zi)結構(gou)。

噴射(she)是(shi)成(cheng)熟(shu)的微流(liu)體(ti)技(ji)術(shu)，它(ta)使用(yong)直徑(jing)小(xiao)於100微米的孔來(lai)產(chan)生(sheng)微滴。這項(xiang)技(ji)術(shu)可(ke)用(yong)於輸運(yun)微反應(ying)中的(de)微量(liang)試劑，以及將微量(liang)DNA樣品(pin)分發到載體(ti)表(biao)面形(xing)成(cheng)微陣列。

微流(liu)體(ti)是(shi)什麽？

微流(liu)體(ti)系(xi)統是(shi)任何(he)處理微量(liang)液體(ti)的(de)設備(bei)。這些(xie)液(ye)體(ti)通(tong)過(guo)的(de)通(tong)道(dao)比頭發還要細，微小(xiao)的(de)閥門(men)可(ke)以(yi)開(kai)啟(qi)和關閉流(liu)量(liang)。這些(xie)通(tong)道(dao)通常(chang)由玻璃(li)、聚(ju)合物、紙(zhi)或(huo)凝(ning)膠(jiao)等材(cai)料制(zhi)成(cheng)。

要想(xiang)使流(liu)體(ti)移(yi)動，壹(yi)種(zhong)方法(fa)是(shi)使用(yong)機械(xie)泵(beng)；另(ling)壹(yi)種(zhong)方法(fa)是(shi)利用(yong)某(mou)些(xie)材(cai)料(liao)的(de)表(biao)面電(dian)荷(he)；當然還有壹(yi)種(zhong)方法(fa)使用(yong)的是(shi)所謂毛(mao)細管(guan)作(zuo)用(yong) —— 更常(chang)見(jian)的是(shi)芯吸作(zuo)用(yong)。芯吸是(shi)儲存(cun)在(zai)液(ye)體(ti)中的(de)能量(liang)推動液(ye)體(ti)通(tong)過(guo)狹(xia)窄(zhai)空(kong)間的(de)過(guo)程(cheng)。

在(zai)微小(xiao)的(de)尺度內(nei)，流(liu)體(ti)的(de)運(yun)動方式並不(bu)直觀(guan)。 並不(bu)像我們(men)常(chang)見(jian)的(de)從花(hua)園(yuan)水管(guan)或(huo)淋浴(yu)噴頭(tou)出(chu)來(lai)的(de)湍(tuan)流(liu)、混(hun)亂的水流(liu)。 相(xiang)反，在(zai)狹(xia)窄(zhai)的(de)微通道(dao)容積(ji)中，流(liu)量(liang)異常穩(wen)定。

流(liu)體(ti)會(hui)以有(you)組(zu)織(zhi)的(de)平(ping)行(xing)流(liu)沿(yan)通道(dao)向(xiang)下(xia)移(yi)動(dong) —— 稱(cheng)為(wei)層(ceng)流(liu)。層(ceng)流(liu)是(shi)微流(liu)體(ti)系(xi)統中的(de)壹(yi)大(da)奇(qi)觀(guan)。層流(liu)中的(de)流(liu)體(ti)和顆粒(li)會(hui)遵循(xun)數學(xue)上(shang)可(ke)預測(ce)的路(lu)徑流(liu)動(dong)，這是(shi)精密(mi)工(gong)程(cheng)和醫療設備(bei)設計(ji)的(de)條件(jian)。

這些(xie)對(dui)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)具(ju)有(you)啟(qi)發意(yi)義(yi)的過(guo)程(cheng)，在(zai)自然界(jie)中存(cun)在(zai)了(le)千百萬年。植物利用(yong)毛(mao)細作(zuo)用(yong)將營(ying)養(yang)物質從根(gen)部(bu)輸送到(dao)高的樹(shu)枝(zhi)上(shang)，這就是(shi)自動供(gong)電的(de)微流(liu)體(ti)電(dian)路(lu)的靈(ling)感(gan)來(lai)源(yuan)。

化(hua)學(xue)家們(men)模(mo)仿(fang)雨(yu)滴的物(wu)理特(te)性(xing)，設計(ji)了(le)壹(yi)種(zhong)設備(bei)，將樣本分解(jie)成(cheng)數百萬個(ge)液(ye)滴(di)，並以(yi)令人(ren)眼(yan)花(hua)繚亂的(de)速(su)度(du)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)分析(xi)。每個(ge)液(ye)滴(di)本質上(shang)都(dou)是(shi)壹(yi)個(ge)微型(xing)的化(hua)學(xue)實驗(yan)室(shi)，化(hua)學(xue)家們(men)可(ke)以(yi)研(yan)究(jiu)生(sheng)物(wu)分子(zi)的進(jin)化(hua)，並進(jin)行(xing)超(chao)快(kuai)的遺傳(chuan)分析(xi)等等。

就連(lian)人(ren)體(ti)的(de)每個(ge)角落都是(shi)微流(liu)體(ti)的(de)。如果(guo)沒(mei)有復雜(za)的毛(mao)細/血管(guan)為每個(ge)細胞(bao)輸送食物、氧(yang)氣(qi)和信號分子(zi)，我們(men)就不(bu)可(ke)能出(chu)生(sheng)或(huo)正(zheng)常生(sheng)活。

微型(xing)科(ke)技的(de)好處(chu)

就像微電子學(xue)壹(yi)樣(yang)，尺(chi)寸(cun)是(shi)微流(liu)體(ti)的(de)關鍵。

隨著(zhe)元(yuan)件變得越來(lai)越小(xiao)，設備(bei)可(ke)以(yi)在(zai)很(hen)小(xiao)的(de)尺度上(shang)依(yi)賴於液體(ti)的(de)奇怪(guai)特(te)性(xing)，可(ke)以(yi)更快(kuai)、更有(you)效(xiao)地操(cao)作(zuo)，而且制(zhi)造成(cheng)本更低(di)。現(xian)在(zai)，微流(liu)體(ti)已(yi)經悄(qiao)悄(qiao)地(di)搭上(shang)了(le)電子(zi)產品(pin)的(de)順(shun)風車(che)。

微流(liu)體(ti)裝(zhuang)置的(de)另(ling)壹(yi)個(ge)主(zhu)要優點是(shi)，它(ta)們(men)只(zhi)需要非(fei)常(chang)少量(liang)的液體(ti)，因(yin)此尺寸(cun)可(ke)以很(hen)小(xiao)。

技(ji)術(shu)、生(sheng)物(wu)和醫學(xue)中的(de)微流(liu)體(ti)學(xue)

實際上(shang)，妳(ni)在(zai)生(sheng)活中會(hui)經常(chang)使用(yong)微流(liu)體(ti)。噴墨(mo)打(da)印(yin)機(ji)能噴出(chu)微小(xiao)的(de)墨(mo)滴；3D打(da)印(yin)機(ji)通(tong)過(guo)微流(liu)體(ti)噴嘴擠出(chu)熔融(rong)聚合(he)物(wu)；鋼筆(bi)和圓(yuan)珠(zhu)筆(bi)中的(de)墨(mo)水是(shi)通過(guo)微流(liu)體(ti)原(yuan)理流(liu)動(dong)的；哮/喘患(huan)者的(de)噴霧器可(ke)以(yi)噴射(she)出(chu)微小(xiao)的(de)藥(yao)液滴；懷(huai)孕(yun)測(ce)試依(yi)賴於尿(niao)液在(zai)微流(liu)體(ti)紙(zhi)條中的(de)流(liu)動(dong)。

在(zai)科(ke)學(xue)研(yan)究(jiu)中，微流(liu)體(ti)可(ke)以將藥(yao)、營(ying)養(yang)物或(huo)任(ren)何(he)液體(ti)引導到(dao)生(sheng)物(wu)體(ti)的(de)特(te)定部分，以(yi)更精(jing)準(zhun)地模擬生(sheng)物(wu)過(guo)程(cheng)。

例如，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)將蠕(ru)蟲困(kun)在(zai)通(tong)道(dao)中，用(yong)氣(qi)味刺(ci)激它(ta)們(men)來(lai)了(le)解神經回(hui)路(lu)。另(ling)壹(yi)個(ge)研(yan)究(jiu)小(xiao)組(zu)將營(ying)養(yang)物質導向(xiang)植物根(gen)部(bu)的(de)特(te)定區域(yu)，觀(guan)察對(dui)生(sheng)長(chang)化(hua)學(xue)物質的(de)不(bu)同(tong)反應(ying)。其(qi)他(ta)研(yan)究(jiu)小(xiao)組(zu)設計(ji)了(le)微流(liu)體(ti)陷(xian)阱，從血液(ye)中物(wu)理捕獲(huo)罕見的腫(zhong)瘤(liu)細胞(bao)。

大量(liang)的微流(liu)體(ti)遺(yi)傳(chuan)芯片提(ti)供了(le)對(dui)人(ren)類(lei)基(ji)因組(zu)進行(xing)快(kuai)速(su)測(ce)序的(de)能力(li)，並使諸(zhu)如(ru)23andMe之(zhi)類(lei)的(de)個(ge)性(xing)化(hua)DNA測(ce)試成(cheng)為(wei)現(xian)實。 沒(mei)有微流(liu)體(ti)，這是(shi)不可能的(de)。

微流(liu)體(ti)的(de)未來(lai)

微流(liu)體(ti)技(ji)術(shu)將是(shi)引導醫(yi)學(xue)進入壹(yi)個(ge)新(xin)的、快(kuai)節奏的、負擔(dan)得起(qi)的時(shi)代的(de)關鍵。用(yong)於運(yun)動監(jian)測(ce)的可(ke)穿戴設備(bei)，以(yi)及將抗/癌(ai)藥(yao)局部傳(chuan)遞(di)到患(huan)者腫(zhong)瘤(liu)上(shang)的(de)可植入設備(bei)，是(shi)生(sheng)物(wu)醫(yi)學(xue)微流(liu)體(ti)的(de)下壹(yi)個(ge)前沿(yan)領域。

研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)正(zheng)在(zai)開(kai)發壹(yi)種(zhong)名(ming)為(wei)“芯片上(shang)的(de)器官”的復雜(za)而迷人(ren)的(de)微流(liu)體(ti)系(xi)統，旨(zhi)在(zai)模(mo)擬人體(ti)生(sheng)理的(de)各(ge)個(ge)方面。

在(zai)各(ge)地(di)的(de)實驗(yan)室(shi)裏(li)，研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)都(dou)正(zheng)在(zai)開(kai)發芯片上(shang)的(de)腫(zhong)瘤(liu)平(ping)臺(tai)，以更有(you)效(xiao)地測(ce)試抗/癌(ai)藥(yao)。這些(xie)病(bing)人(ren)的(de)化(hua)身，將使科(ke)學(xue)家能夠(gou)以壹(yi)種(zhong)不(bu)涉及與動物或(huo)人(ren)類(lei)試驗(yan)相(xiang)關的(de)成(cheng)本、痛(tong)苦(ku)和倫(lun)理問(wen)題(ti)的方式測(ce)試新(xin)的治(zhi)/療(liao)方法(fa)。

在(zai)實驗(yan)室(shi)裏(li)，我(wo)們(men)首先將癌(ai)癥患(huan)者的(de)腫(zhong)瘤(liu)活檢(jian)解剖成(cheng)數千(qian)個(ge)顯(xian)微的規(gui)則(ze)片段，然後讓它(ta)們(men)存(cun)活下(xia)來(lai)。由於它(ta)們(men)的(de)體(ti)積(ji)很小(xiao)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)使用(yong)微流(liu)體(ti)將微小(xiao)的(de)腫(zhong)瘤(liu)碎(sui)片捕獲(huo)到多個(ge)孔中，每種藥(yao)壹(yi)個(ge)孔。

這些(xie)樣(yang)本保(bao)留了(le)腫(zhong)瘤(liu)的(de)適當細胞(bao)環境，這將使我(wo)們(men)能夠(gou)更準(zhun)確(que)地預(yu)測(ce)藥(yao)對(dui)特(te)定人的(de)作(zuo)用(yong)方式。

大(da)膽的(de)想(xiang)象壹(yi)下(xia)，妳(ni)去(qu)看醫生(sheng)，把(ba)活檢(jian)取(qu)出(chu)來(lai)，在(zai)不(bu)到(dao)壹(yi)周的時(shi)間裏(li)，通(tong)過(guo)使用(yong)我們(men)的(de)微流(liu)體(ti)設備(bei)，醫(yi)生(sheng)就能找(zhao)出(chu)哪(na)種(zhong)雞(ji)尾(wei)酒藥(yao)適合切(qie)除(chu)妳的(de)腫(zhong)瘤(liu)。

雖(sui)然，這仍是(shi)未來(lai)的(de)事，但(dan)我們(men)知道(dao)的是(shi)，未來(lai)將是(shi)微流(liu)體(ti)技(ji)術(shu)的(de)。