陳昱

高性能計(jì)算所，新加坡科技研究局，新加坡 138632

1 簡介

微流控是一種在微米尺度下對(duì)流體進(jìn)行操控的科學(xué)技術(shù)，并且可以將生物、化學(xué)等多種實(shí)驗(yàn)室功能微縮到一個(gè)很小的芯片上，因此微流控芯片也被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-chip, LOC）。微流控最大的優(yōu)勢和特征就是眾多技術(shù)單元與流程可以通過微通道相連，在微小的平臺(tái)上靈活組合和大規(guī)模集成，能夠快速、自動(dòng)、高通量、低成本地對(duì)生物、化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整實(shí)驗(yàn)室的復(fù)雜功能。由于尺寸微小，微流控芯片檢測僅需處理極微量的流體，可以極大地節(jié)省昂貴生化檢測試劑成本。

1.1 微流控技術(shù)的提出和發(fā)展簡史

20世紀(jì)60年代，微電子行業(yè)廣泛使用的光刻技術(shù)逐漸發(fā)展，被用于在硅片上創(chuàng)建各種微米或亞微米尺寸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并最早應(yīng)用于壓力傳感器的制造（1966年）。隨后這套技術(shù)繼續(xù)發(fā)展成為微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，廣泛用于開發(fā)各種流體處理設(shè)備，如通道、混合器、閥門、泵等，這才使得在微尺度上對(duì)氣、液體樣本的操控和檢測成為可能。

一般認(rèn)為，第一個(gè)芯片實(shí)驗(yàn)室（LOC）系統(tǒng)是由斯坦福大學(xué)的Terry[2]于1979年開發(fā)的氣相色譜儀[3,4]。然而，直到20世紀(jì)80年代末至20世紀(jì)90年代初，微泵及流量傳感器才被陸續(xù)開發(fā)出來。與此同時(shí)，基于將完整的實(shí)驗(yàn)室分析系統(tǒng)集成到芯片上的流體處理概念的出現(xiàn)，才使得LOC研究得以顯著增長[3]，見圖1。

20世紀(jì)90年代中期，電泳分離連同隨后的DNA微陣列等基因組學(xué)應(yīng)用在微流控芯片上的實(shí)現(xiàn)，使得同時(shí)對(duì)大量樣本進(jìn)行快速分析成為可能，展示了微流控芯片作為一種分析化學(xué)工具的強(qiáng)大潛力，大幅提升了科研人員對(duì)其在研究和商業(yè)領(lǐng)域的興趣。美國軍方特別是美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）對(duì)便攜式生化檢測系統(tǒng)研究的大力支持，引燃了世界范圍內(nèi)對(duì)微流體芯片研究的熱情。

1.2 微流控技術(shù)的重要意義和廣闊應(yīng)用前景

圖1 微流控芯片示意圖

微流控芯片技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展有著深刻的內(nèi)在必然性。首先，各種設(shè)備的微型化是近一個(gè)世紀(jì)以來的大趨勢，既跟人類認(rèn)知能力深入有關(guān)，也是日趨緊張的能源資源的自然要求。其次，很多設(shè)備與技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用和流體的控制緊密相關(guān)，而微納尺度下流動(dòng)的特征是一個(gè)全新的領(lǐng)域，很多方面至今尚未被人們徹底認(rèn)識(shí)，急需更多的投入和研究。第三，微流控芯片技術(shù)與信息學(xué)緊密相關(guān)，特別隨著人類基因組計(jì)劃的開展以及基因療法、個(gè)性化醫(yī)療的日益發(fā)展，人們對(duì)自身和整個(gè)世界所包含的信息的理解越來越深入，自然對(duì)分析和調(diào)控工具提出了更高的要求。第四，微流控芯片與系統(tǒng)化、集成化、模塊化的發(fā)展理念不謀而合，符合大的時(shí)代發(fā)展趨勢，為人類提供了既能夠操控微小物體，同時(shí)又能把握全局和系統(tǒng)的強(qiáng)大工具。

如此強(qiáng)大、新穎的微流控系統(tǒng)，仍然處于飛速的發(fā)展之中，并正被應(yīng)用于越來越廣闊的領(lǐng)域。首先，從原則上講，幾乎任何分析化學(xué)的檢測都能通過微流控芯片完成。其次，更重要的是，隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的增長，微流控芯片近幾年的發(fā)展方向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)建不同類型的芯片實(shí)驗(yàn)室，比如與化學(xué)合成、生物、材料、光學(xué)、信息、能源等相結(jié)合，從而應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，如環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷、細(xì)胞組學(xué)，以及快速藥物合成與篩選器等。

2 微流體控制技術(shù)

微流控芯片由微通道網(wǎng)絡(luò)將不同功能的模塊相互連接而成，樣品在空間上依次經(jīng)過不同模塊，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間上依次進(jìn)行不同操作的目的。如此各模塊之間樣品的輸運(yùn)依賴于流體的流動(dòng)，這使得微流體力學(xué)成為微流控芯片技術(shù)的基礎(chǔ)。起初研究者認(rèn)為在連續(xù)性方程框架下微流動(dòng)和宏觀尺度流動(dòng)很類似，但隨著研究不斷深入，微尺度下流動(dòng)的特殊性也逐漸顯露出來。由于被廣泛應(yīng)用于多種生物樣品的檢測，微流控芯片中包含很多諸如非牛頓流體流動(dòng)，粒子、細(xì)胞、液滴、氣泡的運(yùn)動(dòng)等的特殊流動(dòng)。另外，由于微流控芯片的高度集成性，微尺寸流動(dòng)經(jīng)常受多物理場——電場、磁場、聲、光、熱等作用的影響。故而微尺度下流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和特征問題吸引了眾多不同領(lǐng)域的研究者的興趣和目光。接下來主要介紹微流控芯片中流體流動(dòng)問題的分類和特征，同時(shí)簡單引入流動(dòng)驅(qū)動(dòng)及控制等具體技術(shù)。

2.1 微納流體的特點(diǎn)

首先考慮一個(gè)最基本的問題，當(dāng)流動(dòng)尺寸縮小到微米量級(jí)時(shí)，流體力學(xué)的基本假設(shè)（連續(xù)性假設(shè)和無滑移邊界條件等）是否還成立。20世紀(jì)90年代初，Pfahler[5]進(jìn)行管道中壓力流動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)阻力系數(shù)與理論預(yù)測值不吻合，引起了人們對(duì)微尺度下連續(xù)性假設(shè)與方程適用性的懷疑與關(guān)注。直到2000年以后，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，學(xué)術(shù)界基本認(rèn)同在微米尺度下連續(xù)性假設(shè)仍然成立，然其在納米尺度下的適用性仍然存疑。同時(shí)，在宏觀尺度下被廣泛認(rèn)可的邊界無滑移假設(shè)在微尺度下也受到了挑戰(zhàn)。這是由于此時(shí)流動(dòng)特征尺度縮小到與分子滑移長度相當(dāng)?shù)某潭?，流體在固體表面的滑移不再可以忽略。而隨著界面流動(dòng)研究的逐漸深入，上述的邊界滑移問題已得到了較好的理解和解決。另一方面，由于尺寸縮小，表面張力等面積力對(duì)微流體的作用比體積力（重力、浮力等）大得多，會(huì)逐漸顯示出其主導(dǎo)作用。

樣品在微流控芯片內(nèi)不同功能的模塊間輸運(yùn)依賴流體的流動(dòng)，因此，如何實(shí)現(xiàn)微尺度下流動(dòng)驅(qū)動(dòng)、控制成為芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。這涉及流體的驅(qū)動(dòng)、通斷、樣品混合、粒子捕捉、細(xì)胞聚焦、分離等等。一般地，控制微流控芯片內(nèi)樣品輸運(yùn)的流動(dòng)可以大致分為兩大類：連續(xù)簡單介質(zhì)流動(dòng)、液滴生成與運(yùn)動(dòng)。接下來分別介紹他們的控制方法。

2.2 連續(xù)相流體控制

簡單介質(zhì)流動(dòng)一般指連續(xù)、均質(zhì)的液相流動(dòng)，流體力學(xué)上可以作為單相流處理，如緩沖液、稀相蛋白分子流等，是微流控芯片中處理的最常見的樣品形式，如何在微流控芯片中驅(qū)動(dòng)、控制、混合、分離、檢測這種狀態(tài)的樣品顯得尤為重要。

2.2.1 流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)

連續(xù)相介質(zhì)一般可以通過微泵產(chǎn)生壓差驅(qū)動(dòng)、電滲流形式驅(qū)動(dòng)等。

壓差驅(qū)動(dòng)是指利用壓力抵抗流體在微通道內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的粘性阻力從而驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)，可以通過注射泵、蠕動(dòng)泵等產(chǎn)生所需的壓力，另外也可以在微流體芯片上集成壓差氣動(dòng)微泵。壓差氣動(dòng)微泵室由多個(gè)啟動(dòng)微閥組成，PDMS薄膜在氣壓作用下產(chǎn)生形變，閥閉合，堵塞流體通道；相反氣壓撤去時(shí)，PDMS薄膜在彈性作用下恢復(fù)原狀，閥門開啟，流體流動(dòng)通暢。順序操控多個(gè)閥門的開啟、閉合，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微通道內(nèi)流體的驅(qū)動(dòng)。這一過程與宏觀尺度下的蠕動(dòng)泵類似，見圖2。

圖2 注射泵、蠕動(dòng)泵、基于PDMS的氣膜泵[6]

除了壓差驅(qū)動(dòng)，微流控芯片中還常常會(huì)使用電滲流來驅(qū)動(dòng)流體。制備微流體芯片常用的硅、玻璃和高分子聚合物（PMMA，PDMS）等材料表面常常發(fā)生水解并極化，形成硅烷醇表面基團(tuán)并選擇性地吸附某種離子而帶電，相應(yīng)地表面附近的液體中形成反離子，構(gòu)成帶電表面和液體雙電層。當(dāng)電場施加在流體上時(shí)，帶點(diǎn)流體被庫侖力驅(qū)動(dòng)而移動(dòng)，這種流動(dòng)即電滲流。除了驅(qū)動(dòng)樣品流動(dòng)，電滲流是化學(xué)分離的重要技術(shù)，也是電泳分析的基礎(chǔ)。

由于流體黏性的作用，壓差驅(qū)動(dòng)的微通道流動(dòng)一般通道中心速度較高，靠近壁面速度較低，因此而出現(xiàn)的彌散現(xiàn)象（見圖3）對(duì)于一致性要求很高的檢測而言并不合適；另外，當(dāng)微通道尺寸縮小，在同樣驅(qū)動(dòng)壓力下流速會(huì)急劇降低。而如果利用電滲流，管道內(nèi)速度分布均勻沒有彌散，并且管道尺寸縮小流速不降低，因?yàn)槠渲慌c電壓有關(guān)。所以，對(duì)于尺寸大的管道，使用壓差驅(qū)動(dòng)流體比較有優(yōu)勢，相反電滲流對(duì)小尺寸流動(dòng)意義更為重大。

2.2.2 流動(dòng)的控制

對(duì)于一般微通道而言，閥門是流體控制的核心部件。由于其重要性，微型閥的研制早在微流控芯片誕生以前就引起了人們的廣泛關(guān)注。

圖3 壓差驅(qū)動(dòng)的微通道流動(dòng)彌散現(xiàn)象

對(duì)于電滲驅(qū)動(dòng)的毛細(xì)管電泳等應(yīng)用場景，在進(jìn)樣通道施加不同的電壓，可控制樣品的進(jìn)樣體積，當(dāng)形成穩(wěn)定的進(jìn)樣區(qū)帶后，切換電滲電壓，即可停止進(jìn)樣過程。隨后在分離通道施加電壓，樣品便進(jìn)入分離通道進(jìn)行電泳分離。整個(gè)過程無須閥門的幫助，只需要通過電路切換控制電壓，流動(dòng)控制和切換非常簡單。

然而對(duì)于壓力驅(qū)動(dòng)的微流芯片需要使用實(shí)體閥門，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需控制通道的開合，并要求泄露低、功耗小、響應(yīng)快、線性強(qiáng)。如雙晶片單向閥（圖4）由兩個(gè)晶片相接而成，在入口處有一彈性懸臂梁，當(dāng)流體正向流動(dòng)時(shí)，頂開懸臂梁，正常流動(dòng)；當(dāng)流體反向流動(dòng)時(shí)，懸臂梁受反向壓力與晶片閉合，使通道閉合。另外，丙烯酰胺聚合體在高低電壓下具有不同性質(zhì)，可以用來實(shí)現(xiàn)閥門開合的切換，低電壓下，空穴密集，閥門關(guān)閉；高電壓下，空穴張開，閥門打開。另外還可通過空氣壓力控制軟性PDMS薄膜來控制通道的開合，實(shí)現(xiàn)閥門的功能（圖5）。

圖4 單向閥門[7]

圖5 氣動(dòng)閥門[8]

2.2.3 樣品介質(zhì)的混合

有一些需要快速發(fā)生的反應(yīng)，要求快速混合不同樣品，使得反應(yīng)的不同組分充分接觸?；旌嫌袃蓚€(gè)機(jī)制：①溶度梯度驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)散，②組分團(tuán)隨流動(dòng)產(chǎn)生的對(duì)流。然而微流體芯片尺度小雷諾數(shù)小，呈層流狀態(tài)，對(duì)流強(qiáng)度小，混合主要依靠擴(kuò)撒。所以要增強(qiáng)混合，需要增加溶質(zhì)之間的接觸面積，可以通過拉伸流體或剪切；和利用管路幾何交叉設(shè)計(jì)，將不同樣品分裂成許多微團(tuán)再組合。

混合器按照是否需要外力一般分為兩種，被動(dòng)式與主動(dòng)式。被動(dòng)式混合器通過在微通道加入擾流器，從而在流動(dòng)中引入波動(dòng)，與主流垂直的二次流，可以將樣品切割成更小的單元從而增強(qiáng)混合。與被動(dòng)式不同，主動(dòng)式混合器利用磁力、聲場力、電場力等外力來增強(qiáng)混合。如使用外部旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)微攪拌棒進(jìn)行液體混合；通過在溶液中引入氣泡，聲場誘導(dǎo)停留在固體表面的氣泡產(chǎn)生震動(dòng)，從而形成球形對(duì)流，加速混合；還可利用可變直流電場，產(chǎn)生變化電滲流混合樣品（圖6）。

圖6 各種不同增強(qiáng)混合技術(shù)

圖7 基于不同技術(shù)的檢測方法

2.2.4 分離、分析、檢測

經(jīng)過進(jìn)樣、反應(yīng)等過程，最終樣品需要經(jīng)過分離、分析與檢測，得到人們能夠理解的結(jié)果，提供有效地診斷依據(jù)（圖7）。

在微流芯片發(fā)展早期，電泳分離技術(shù)發(fā)展最快、成熟度最高，占有特殊的地位。介質(zhì)中帶電粒子在電場作用下會(huì)形成定向遷移和泳動(dòng)，被稱為電泳。由于各種物質(zhì)分子的電荷數(shù)量與質(zhì)量不同，導(dǎo)致其遷移速度不同，最終形成不同的譜帶，達(dá)到分離與甄別樣品的目的。

近年來，一些新的技術(shù)被應(yīng)用于微流控芯片的檢測領(lǐng)域，如光學(xué)檢測、電化學(xué)檢測、質(zhì)譜檢測等。激光誘導(dǎo)熒光時(shí)使用最廣泛的光學(xué)檢測方法，對(duì)具有熒光官能團(tuán)或者可以衍生產(chǎn)生熒光的核酸、蛋白質(zhì)、氨基酸等生化樣品進(jìn)行檢測、分析，其檢測極限可以達(dá)到10-13-10-9mol/L。另外，利用光子技術(shù)、雙光子激發(fā)等技術(shù)甚至可以達(dá)到單分子檢測精度。電化學(xué)方法利用待檢測物質(zhì)導(dǎo)通電流、電導(dǎo)率、阻抗譜以及半透膜兩端的電位差來進(jìn)行檢測。質(zhì)譜檢測是使樣品中各組分在離子源中發(fā)生電力，生成不同荷質(zhì)比的帶正電荷粒子，經(jīng)加速電場作用，形成粒子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器，利用電場和磁場使得離子發(fā)生相反的色散，從而將他們鑒別出來的方法。另外，利用聲表面波（SAW）、薄膜體聲波（FBAR）、紅外線（IR）等傳感器對(duì)其表面附著物變化的敏感性，可以探測樣品與傳感器表面抗體探針的特異性反應(yīng)。另外，超材料和聲表面波等技術(shù)可以直接對(duì)樣品的一些物理性質(zhì)（如黏性、介電常數(shù)等）進(jìn)行測量，從而判斷出樣品的變化。

2.3 液滴控制

為了更精確地控制樣品體積與數(shù)量，進(jìn)一步降低能耗，提高自動(dòng)化程度與通量，近來，微流控領(lǐng)域發(fā)展了將液體分割成液滴進(jìn)行更小體積操控的技術(shù)。與連續(xù)相不同，為了得到離散相的液滴，通常會(huì)使用不同性質(zhì)兩種液體相互隔絕，一種作為連續(xù)相，一種作為分散相，分散相以微小體積單元形式分布在連續(xù)相中，形成液滴在芯片中運(yùn)動(dòng)。

與連續(xù)相戒指類似，基于液滴的微流控芯片技術(shù)，核心在于液滴的生成、樣品的加入與混合以及檢測。

2.3.1 液滴生成

“T”形結(jié)構(gòu)通道和“流動(dòng)聚焦”被廣泛用來在微流控芯片中生成液滴。在“T”形結(jié)構(gòu)通道中，油相和水溶液分別從水平和數(shù)值通道中流出，由于兩者不相容，在交叉處相遇后形成水/油界面，水溶液在推動(dòng)力的擠壓和油相的剪切作用下，被拉伸最后表面張力不足以抵抗剪切力，斷裂成為液滴。另外還可利用油相從水溶液兩側(cè)的通道流出，對(duì)水溶液產(chǎn)生夾流“聚焦”作用，水溶液受到來自兩側(cè)堆成剪切力，液滴形成過程比“T”形結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，大小可控范圍更廣。一般可以通過調(diào)節(jié)水相、油相的流速來調(diào)整液滴的大小，還可以用多種組分溶液形成一個(gè)液滴，甚至可以液滴生成結(jié)構(gòu)嵌套成多核或者多層液滴，見圖8。

圖8 液滴生成的不同方法

2.3.2 混合、操控

使用液滴作為微反應(yīng)器，可以直接將樣品和試劑包入液滴，以液滴生成時(shí)的狀態(tài)作為反應(yīng)的初始條件；如果反應(yīng)復(fù)雜，可以在液滴生成單元的下游增加側(cè)向通道，當(dāng)液滴經(jīng)過時(shí)，將溶液注入液滴，并開始下一步反應(yīng)。再經(jīng)過微通道時(shí)，由于通道內(nèi)壁的摩擦作用，液滴內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)堆成的漩渦流，一定程度上加速內(nèi)部溶液的混合。還可以將直通道改成“S”形，液滴內(nèi)部的一對(duì)漩渦會(huì)變?yōu)榇笮〔灰?，并別經(jīng)過“S”形彎折時(shí)，兩個(gè)漩渦會(huì)交換大小，大大增強(qiáng)對(duì)流速度，加快混合，見圖9。

有時(shí)對(duì)于復(fù)雜的多步反應(yīng)，需要對(duì)液滴進(jìn)行可控融合，首先在芯片不同位置生成飽含不容溶液的液滴，并調(diào)整速度使其一致，并通過微通道尺寸、結(jié)構(gòu)等控制它們?cè)谔囟ㄎ恢孟嘤?。有時(shí)，可以通過它們表面張力自動(dòng)融合，還有可能需要電和光熱來促進(jìn)融合的過程。

除了在通道中運(yùn)動(dòng)，液滴還可以受控在平面上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行反應(yīng)和檢測。通過液滴表面的電浸潤現(xiàn)象，通過向電極施加電壓改變節(jié)點(diǎn)之層的固液表面張力，實(shí)現(xiàn)液滴的產(chǎn)生，并控制離散（單個(gè)）液滴輸運(yùn)和分裂，被稱為數(shù)字液滴（digital droplet,dd）微流控芯片技術(shù)。

3 應(yīng)用舉例

3.1 聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）

聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）是在體外模擬自然DNA復(fù)制過程的核酸擴(kuò)增技術(shù)，經(jīng)典PCR循環(huán)由Mullins發(fā)明。利用引物延伸核酸的某個(gè)區(qū)域而實(shí)現(xiàn)重復(fù)雙向DNA合成，其靈敏度和特異性都很高，而且操作簡便、快捷，系統(tǒng)簡單。后來又有開發(fā)環(huán)介導(dǎo)的等溫PCR技術(shù)（LAMP）和通過高溫變性、低溫退火、酶催化三步的循環(huán)PCR擴(kuò)增。相比于常規(guī)宏觀尺度PCR，在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)PCR有如下幾個(gè)優(yōu)勢：①有效減少熱循環(huán)系統(tǒng)體積，熱容低，升/降溫速度提高，反應(yīng)時(shí)間縮短；②反應(yīng)體系體積減小，溫度均勻性提高；③樣品變少，試劑消耗降低；④各模塊變小，有利于集成化。

循環(huán)PCR擴(kuò)增的成功關(guān)鍵在于快速而準(zhǔn)確地控制循環(huán)溫度，利用微流控芯片集成度高的優(yōu)勢，可以將PCR反應(yīng)器、微加熱器、溫度傳感器、電泳微通道、激光熒光誘導(dǎo)檢測全部集成到微小的芯片上。除了前述方法在儲(chǔ)液池直接反復(fù)加熱/冷卻反應(yīng)液，另外還可以在芯片上構(gòu)建具有穩(wěn)定的PCR溫度不同區(qū)域，讓反應(yīng)液通過蛇形迂回的微通道，讓其依次經(jīng)歷高溫變形、低溫退火、酶催化三步，省去復(fù)雜的控制程序和煩瑣的微傳感器加工步驟。除了傳統(tǒng)的基于連續(xù)介質(zhì)的PCR擴(kuò)增，還有將樣品分散成液滴，把每個(gè)液滴作為獨(dú)立的微反應(yīng)器的液滴數(shù)字PCR。首先將微量樣品大倍數(shù)稀釋，再將其依次送入液滴，使得每個(gè)液滴中的待測DNA不超過1個(gè)，再將所有液滴置于相同條件下進(jìn)行PCR擴(kuò)增，之后利用如激光熒光反應(yīng)等發(fā)發(fā)進(jìn)行檢測。根據(jù)泊松分布原理和檢測出的陽性反應(yīng)液滴數(shù)目，可以推算出原始樣品中特定DNA片段的濃度，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定量甚至單分子檢測的目標(biāo)。

3.2 細(xì)胞仿生實(shí)驗(yàn)室

微流控芯片仿生實(shí)驗(yàn)以細(xì)胞實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過微流芯片中三維細(xì)胞培養(yǎng)和共培養(yǎng)來模擬生物體內(nèi)體系的環(huán)境，從而更真實(shí)反應(yīng)和研究活體內(nèi)復(fù)雜的生化反應(yīng)。目前微流控芯片的潛力在細(xì)胞研究中已得到充分的發(fā)揮，微米量級(jí)且相對(duì)封閉的細(xì)胞培養(yǎng)、分選、裂解等微流控芯片細(xì)胞實(shí)驗(yàn)室操作單元均已構(gòu)建。在微流控芯片內(nèi)合成仿生材料上培養(yǎng)細(xì)胞，再通過不同尺寸和形狀的管道網(wǎng)格將不同細(xì)胞團(tuán)連接形成組織、器官，可以觀察體液在細(xì)胞、組織以致氣管內(nèi)或者它們之間流動(dòng)，這種器官芯片系統(tǒng)包含細(xì)胞、組織、血液、埋管、組織、組織界面等器官內(nèi)微環(huán)境的全部要素，更接近真實(shí)的生物體系。生物系統(tǒng)是一個(gè)整體，包含很多局部，局部之間通過很多生物化學(xué)網(wǎng)格相互影響并對(duì)環(huán)境做出響應(yīng)，在微流控空芯片上構(gòu)建器官模擬一個(gè)活體的行為，可以更方便、準(zhǔn)確、可控地從系統(tǒng)生物學(xué)角度研究活體中整體和局部的種種關(guān)系。從本質(zhì)上講，微流控芯片仿生實(shí)驗(yàn)室提供了一種在相對(duì)簡單的生物體外對(duì)極其復(fù)雜的生物內(nèi)體系開展模擬研究的途徑。雖然芯片仿生實(shí)驗(yàn)室可能并不能完全反映真實(shí)情況，但是在人體研究遇到困難，動(dòng)物研究又與人體差異過大的難以接受的情況下，例如藥物毒性這樣的復(fù)雜問題，或許可以從人體器官系統(tǒng)角度提供更深入的探討和理解，見圖10。

4 結(jié)語

幾年來，隨著微流控芯片這一科技領(lǐng)域的一系列重大突破，以及人們對(duì)其認(rèn)識(shí)的不斷深入，其在特殊應(yīng)用場景的特性逐漸脫穎而出，吸引了疾病診斷、藥物篩選、材料合成、環(huán)境檢測、食品安全等方向的廣泛關(guān)注，并且在不斷進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型?？傮w而言，微流控芯片技術(shù)應(yīng)用廣泛，在提供快速、低廉、便攜的解決方案方面有很大潛力，對(duì)人類未來的生活方式和生存質(zhì)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，在未來20年內(nèi)將引起廣泛和激烈的產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化競爭。

但同時(shí)，微流控芯片技術(shù)仍然面臨許多挑戰(zhàn)。首先是市場的接受度還處于起步階段，起步較早的芯片診斷技術(shù)，現(xiàn)在仍處于與現(xiàn)有成熟技術(shù)的競爭階段，而液滴技術(shù)、哺乳動(dòng)物細(xì)胞和仿生技術(shù)，正在被人們逐漸接受。同時(shí)，盡管微流控芯片具有多單元在微小平臺(tái)靈活組合與集成的優(yōu)勢，但如何在確保穩(wěn)定、可靠結(jié)果的前提盡量控制制造成本，對(duì)實(shí)際產(chǎn)業(yè)化道路提出很高的要求。另外，雖然微尺度下的流動(dòng)特征已經(jīng)被人們研究了較長時(shí)間，很多問題也得到了解決，但仍然存在許多未解決的問題，例如氣液界面運(yùn)動(dòng)、氣相溶解與滲透；另外隨著生化檢測要求的提高，微流控芯片尺寸越來越小（納米尺度），而在如此小的尺度的管道內(nèi)，溶液與樣品溶質(zhì)分子以數(shù)十?dāng)?shù)百的量級(jí)通過各種單元模塊，經(jīng)典流體力學(xué)中的連續(xù)性假設(shè)不再適用，預(yù)測流體在納米尺度下的運(yùn)動(dòng)成為重點(diǎn)研究目標(biāo)。