一文讀懂什么是微流控芯片

一、微流控芯片的基本定義

微流控芯片，又稱芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-chip），是一種以在微米尺度空間對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)。

目前，主流形式的微流控芯片是指把化學(xué)和生物等領(lǐng)域中涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測、細(xì)胞培養(yǎng)、分選、裂解等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米甚至更小的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個(gè)系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)常規(guī)化學(xué)、生物、材料、光學(xué)等不同實(shí)驗(yàn)室的各種功能的一種技術(shù)。

2017年，中國科技部將微流控芯片定位為一種“dianfu性技術(shù)"，而微流控芯片中的重要分支——器官芯片則被世界經(jīng)濟(jì)論壇評(píng)為2016年世界“新興技術(shù)"之一。

點(diǎn)成微流控芯片實(shí)物示意圖

二、微流控芯片的材料與制作

芯片的材質(zhì)決定了芯片的性能，要制作微流控芯片，芯片材料需遵循以下原則：良好的生物相容性、良好的電絕緣性和散熱性、良好的光學(xué)性能、表面具有良好的可修飾性、制作工藝簡單且制作成本低。

目前，微流控芯片制作常用的材料有：單晶硅片、石英、玻璃、有機(jī)聚合物（PMMA、PDMS、PC、COP）等，其中以聚合物最為常見。高分子聚合物的制作技術(shù)主要包括熱壓法、模塑法、注塑法、激光燒蝕法、LIGA法、軟刻蝕法等。

三、微流控芯片的流體驅(qū)動(dòng)與檢測

在微流控芯片中，流體驅(qū)動(dòng)方式一般可分為兩類：機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式（包括氣動(dòng)微泵、壓電微泵、往復(fù)式微泵、離心力驅(qū)動(dòng)等）和非機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式（包括電滲驅(qū)動(dòng)、重力驅(qū)動(dòng)等）。

與傳統(tǒng)的檢測器相比，微流控芯片對(duì)檢測器的要求更加嚴(yán)格，這主要體現(xiàn)在靈敏度高、響應(yīng)速度快和體積小這三個(gè)方面。在目前的微流控芯片檢測技術(shù)中，光學(xué)檢測法和電化學(xué)檢測法應(yīng)用最為廣泛。

四、微流控芯片的應(yīng)用

微流控芯片在現(xiàn)階段主要應(yīng)用在以下三個(gè)方面：

1）分析診斷

微流控芯片作為一種耗樣量低、分析速度快、靈敏度高的分析平臺(tái)，在即時(shí)診斷（POCT）領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。微流控芯片在實(shí)現(xiàn)POCT產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用主要集中在以核酸分析為代表的分子診斷和以蛋白質(zhì)分析為代表的免疫診斷，也包括一些以代謝物分析為代表的生化診斷。另外，由于細(xì)胞群體的異質(zhì)性，液滴微流控芯片也被應(yīng)用于單細(xì)胞分析技術(shù)中的以單個(gè)細(xì)胞為對(duì)象的研究。

2）篩選合成

對(duì)不同材料作高通量篩選是微流控液滴芯片的重要應(yīng)用領(lǐng)域，例如工業(yè)酶或分選不同抗生素抗性的細(xì)菌等。另外，由于液滴操控靈活，形狀可變，大小均一，可被應(yīng)用于材料領(lǐng)域，特別是高附加值微顆粒材料的合成領(lǐng)域。

3）器官芯片

以微流控技術(shù)為基礎(chǔ)，和生物學(xué)相結(jié)合，以活細(xì)胞為背景，用微工程裝置形式重組的人體器官，可重現(xiàn)人體的生理和力學(xué)功能，并通過精確的控制流體流動(dòng)與機(jī)械信號(hào)和組織-組織界面相結(jié)合，建立動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)靜態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)更加仿真的效果。

2010年，哈佛大學(xué)Donald Ingber等在《Science》雜志上發(fā)表的肺器官芯片是一種具有代表性的器官芯片，器官芯片是當(dāng)今對(duì)哺乳動(dòng)物及其微環(huán)境進(jìn)行操控的重要技術(shù)平臺(tái)。微流控器官芯片有望替代小白鼠等動(dòng)物模型，用于驗(yàn)證候選藥物、開展藥物毒理和藥理作用研究，實(shí)現(xiàn)個(gè)體化治療。

肺器官芯片裝置

參考文獻(xiàn)：

[1] 林炳承.器官芯片[M].北京:科學(xué)出版社,2019.

[2] Huh D, Matthews BD, Mammoto A, Montoya-Zavala M, Hsin HY, Ingber DE. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science. 2010 Jun 25;328(5986):1662-8. doi: 10.1126/science.1188302.