微流控（Microfluidics），是一種精確控制和操控微尺度流體，尤其特指亞微米結(jié)構(gòu)的技術(shù)，又稱其為芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片技術(shù)。其是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動(dòng)完成分析全過程。由于在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。由于微米級的結(jié)構(gòu)，流體在微流控芯片中顯示和產(chǎn)生了與宏觀尺度不同的特殊性能，因此發(fā)展出獨(dú)特的分析產(chǎn)生的性能。同時(shí)還有著體積輕巧、使用樣品及試劑量少、能耗低，且反應(yīng)速度快、可大量平行處理及可即用即棄等優(yōu)點(diǎn)。

微流控芯片的應(yīng)用領(lǐng)域有：環(huán)境監(jiān)測、食品安全、司法鑒定、航空航天、運(yùn)動(dòng)競技、藥物篩選、石油化工、醫(yī)療診斷等。

一、微流控的發(fā)展歷程及前瞻

從Manz和Widmer等人采用芯片實(shí)現(xiàn)了此前一直在毛細(xì)管內(nèi)完成的電泳分離，于1990年首次提出微型全分析系統(tǒng)(Miniaturized Total Analysis System，(μTAS)的概念，到1995年首家從事微流控芯片技術(shù)的Caliper Life Sciences公司成立，90年代中期，美國國防部提出對士兵個(gè)體生化自檢裝備的手提化需求催生了世界范圍內(nèi)微流控芯片的研究；在整個(gè)90年代，微流控芯片更多的被認(rèn)為是一種分析化學(xué)平臺，因此，原則上，微流控芯片作為一種“微全分析”技術(shù)平臺可以應(yīng)用于各個(gè)分析領(lǐng)域，如生化醫(yī)療診斷、食品和商品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學(xué)、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等重要應(yīng)用領(lǐng)域，其中生物醫(yī)學(xué)分析是熱點(diǎn)。  

2000年左右G. Whitesides等關(guān)于PDMS軟刻蝕的方法在Electrophoresis和Analytical Chemistry上發(fā)表，再到Quake等以“微流控芯片大規(guī)模集成”為題在Science上發(fā)表文章，2001年，“Lab on a Chip”雜志創(chuàng)刊，它很快成為本領(lǐng)域的一種主流刊物，引領(lǐng)世界范圍微流控芯片研究的深入開展。接下來的2003年，微流控技術(shù)被Forbes雜志評為影響人類未來15件最重要的發(fā)明之一。Business也在2004年把微流控技術(shù)譽(yù)為“改變未來的七種技術(shù)之一”。2006年7月Nature雜志發(fā)表了一期題為“芯片實(shí)驗(yàn)室”專輯，從不同角度闡述了芯片實(shí)驗(yàn)室的研究歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，并在編輯部的社評中指出：芯片實(shí)驗(yàn)室可能成為“這一世紀(jì)的技術(shù)”。至此，芯片實(shí)驗(yàn)室所顯示的戰(zhàn)略性意義，已在更高層面和更大范圍內(nèi)被學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界所認(rèn)同。

這些里程碑式的工作使學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界看到了微流控芯片超越“微全分析系統(tǒng)”的概念而發(fā)展成為一種重大的科學(xué)技術(shù)的潛在能力。例如，利用微流控芯片作為一種微反應(yīng)器，通過在微流控芯片上開展組合化學(xué)反應(yīng)或結(jié)合液滴技術(shù)，有望用于藥物合成與篩選，或納米粒子、微球、晶體等的高通量、大規(guī)模制備，甚至形成一種“芯片上的化工廠或制藥廠”；還有利用微流控芯片的集成功能來制作器官芯片，用于仿真人體器官中的最小功能單元，實(shí)現(xiàn)藥物或化學(xué)物質(zhì)在非活體環(huán)境（in vitro）中，研究活體環(huán)境（in vivo）的交互反應(yīng)，是一種用于了解、評估疾病、藥物、化學(xué)物質(zhì)與食物等對人類影響的3D芯片設(shè)備。而“器官芯片”這一技術(shù)在2016年的達(dá)沃斯論壇上入選了年度十大新興技術(shù)之一，被譽(yù)為與新燃料電池和無人駕駛汽車齊名的新興技術(shù)。同時(shí)微流控芯片以其強(qiáng)大的應(yīng)用范圍（生物醫(yī)學(xué)、藥物篩選、運(yùn)動(dòng)競技、國防科技、司法鑒定、食品安全、環(huán)境監(jiān)測）成為了是當(dāng)代極為重要的新興科學(xué)技術(shù)平臺和國家層面產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的潛在戰(zhàn)略領(lǐng)域。在2016年7月國家國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中李克強(qiáng)總理明確提出“體外診斷產(chǎn)品要突破微流控芯片、單分子檢測等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)全自動(dòng)核酸檢測系統(tǒng)等重大產(chǎn)品，研發(fā)一批重大疾病早期診斷和精確治療診斷試劑以及適合基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)的高精度診斷產(chǎn)品”。而來自中國大連化物所的林炳承研究院于2006年7月《微流控芯片實(shí)驗(yàn)室》序中也說道“時(shí)至今日，微流控芯片的研究早已超出了學(xué)術(shù)界的范疇，它很可能成為信息科學(xué)和生命科學(xué)之間溝通的橋梁，在未來五年、十年或者十五年中發(fā)展成一種舉足輕重的產(chǎn)業(yè)，大幅度改善人類生存的質(zhì)量，影響人類的未來”。

更加鼓舞人心的是，在近期，FDA與Emulate, Inc. 簽訂了題為“可將Organs-on-Chips技術(shù)作為毒理學(xué)測試平臺，用于對影響人類的健康和安全的研究”的協(xié)議，這意味著，在美國，器官芯片對新藥篩選的結(jié)果的得到了FDA的承認(rèn)，也就是說在藥物篩選階段可以直接跳過活體動(dòng)物這個(gè)環(huán)節(jié)，可直接在器官芯片上進(jìn)行，這一協(xié)議也充分說明了微流控芯片以后對世界的重大影響和戰(zhàn)略性意義。

二、微流控與體外診斷

（一）體外診斷（In vitro diagnosis, IVD），顧名思義，主要是指對人體的血液、體液、組織等進(jìn)行檢測而獲得臨床信息的產(chǎn)品或服務(wù)。在我國，由于：

1. 人口老齡化日漸嚴(yán)重；

2. 傳染病慢性病日漸流行；

3.城市化進(jìn)程中對醫(yī)療健康行業(yè)需求的劇增；

4.政府對醫(yī)療保健市場的大力支持；

5.醫(yī)院藥品加成的取消，導(dǎo)致醫(yī)院日漸重視臨床檢驗(yàn)等因素，體外診斷行業(yè)開始迅速崛起。相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，近幾年來我國體外診斷市場規(guī)模的年增長率一直維持在20%以上。    

隨著技術(shù)的發(fā)展，也為了面向不同的診斷需求，體外診斷正逐漸向兩級發(fā)展：機(jī)械手臂式的自動(dòng)化、流水線作業(yè)的中心實(shí)驗(yàn)室和操作簡單、快速、便攜的即時(shí)診斷（point-of-care testing, POCT）。對于大型醫(yī)院的檢驗(yàn)科室或者第三方檢驗(yàn)中心，由于樣品量大，自動(dòng)化流水線作業(yè)式的中心實(shí)驗(yàn)室往往更能滿足他們對于單位時(shí)間能檢測更多樣品、單個(gè)樣品檢測成本低的需求。而即時(shí)檢驗(yàn)，國際上一般稱為POCT，是在采樣現(xiàn)場即時(shí)對樣本進(jìn)行分析，省去標(biāo)本在轉(zhuǎn)移到檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室所需要的時(shí)間，快速得到檢驗(yàn)結(jié)果的一類新方法。這種檢測通常不一定需要專業(yè)的人員比如臨床檢驗(yàn)師來進(jìn)行。相對于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室檢測機(jī)制，POCT主要通過精簡操作流程、集成檢測裝置、壓縮檢測成本，實(shí)現(xiàn)部分由非專業(yè)人員完成、受眾和適應(yīng)性更強(qiáng)的便攜式的就地檢測。因其快速、簡單的優(yōu)勢，POCT對院內(nèi)急診科、重癥監(jiān)護(hù)室（ICU）等臨床科室具有重要意義；因其綜合成本、便攜、易用的優(yōu)勢，POCT對于完善農(nóng)村邊遠(yuǎn)地區(qū)醫(yī)療建設(shè)、加速檢驗(yàn)檢疫流程、應(yīng)對突發(fā)疾病災(zāi)害、推動(dòng)個(gè)性化醫(yī)療和疾病篩查等同樣具有重要意義。POCT現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于臨床治療和監(jiān)護(hù)。

（二）POCT存在的問題，我們最常見的POCT設(shè)備就是像早孕試紙之類的免疫層析試紙。免疫層析反應(yīng)，實(shí)際上就是液體樣品在試紙上沿著試紙由一端向另一端定向擴(kuò)散，在液體樣本定向擴(kuò)散過程中會(huì)與試紙上預(yù)載的試劑發(fā)生生化發(fā)應(yīng)，最后在試紙上給出肉眼可見的結(jié)果的一個(gè)過程。因其簡單、方便、快速的特點(diǎn)一直使用至今。但是呢，這種試紙很難做到結(jié)構(gòu)均勻一致，材料、薄厚、疏密程度也很難完全相同，這會(huì)使樣本檢測結(jié)果在不同測試卡上的一致性較差。另外，被測樣本測試時(shí)流動(dòng)的速度、樣本量、反應(yīng)時(shí)間等不可控，會(huì)進(jìn)一步加大了樣本檢測結(jié)果的偏差。除此之外，免疫層析試紙受自身方法學(xué)的局限，一般只能達(dá)到定性診斷，不能滿足醫(yī)生定量的需求。最后，對于免疫層析而言，最大的問題還是在于依靠液體在紙上的單向擴(kuò)散，液體可操控的空間也受到了很大限制。所以，很多臨床上非常好的檢測診斷技術(shù)，由于操作相對復(fù)雜一些，沒法用免疫層析來實(shí)現(xiàn)。

（三）POCT可直接在被檢者身邊提供快捷有效的生化指標(biāo)，現(xiàn)場指導(dǎo)用藥，使檢測、診斷、治療成為一個(gè)連續(xù)過程，對于疾病的早期發(fā)現(xiàn)和治療具有突破性的意義。POCT儀器發(fā)展趨勢應(yīng)是小型化、“傻瓜”式，操作簡單，無需專業(yè)人員，直接輸入體液樣本，即可迅速得到診斷結(jié)果，并將信息上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，由醫(yī)生指導(dǎo)保健。目前，市場上有多種即時(shí)診斷方法，簡單的流動(dòng)測試工作沒有流體管理技術(shù)，而當(dāng)測試復(fù)雜性增加時(shí)，微流控技術(shù)是必要的。微流控芯片所具有的多種單元技術(shù)在微小可控平臺上靈活組合和規(guī)模集成的特點(diǎn)已使其成為現(xiàn)代POCT技術(shù)的首選，經(jīng)過近年的發(fā)展，已涌現(xiàn)了一批微流控芯片POCT分子診斷和免疫診斷的成功案例。

三、微流控的優(yōu)點(diǎn)

（一）集成小型化與自動(dòng)化

微流控技術(shù)能夠把樣本檢測的多個(gè)步驟集中在一張小小的芯片上，通過流道的尺寸和曲度、微閥門、腔體設(shè)計(jì)的搭配組合來集成這些操作步驟，最終使整個(gè)檢測集成小型化和自動(dòng)化。

（二）高通量

由于微流控可以設(shè)計(jì)成為多流道，通過微流道網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)將待檢測樣本分流到多個(gè)反應(yīng)單位，同時(shí)反應(yīng)單元之間相互隔離，使各個(gè)反應(yīng)互不相干擾，因此可以根據(jù)需要對同一個(gè)樣本平行進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的檢測。與常規(guī)逐個(gè)項(xiàng)目檢測相比，大大縮短了檢測的時(shí)間，提高了檢測效率，具有高通量的特點(diǎn)。

（三）檢測試劑消耗少

由于集成檢測的小型化，使微流控芯片上的反應(yīng)單元腔體非常小，雖然試劑配方的濃度可能有一定比例的提高，但是試劑使用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)試劑，大大降低了試劑的消耗量。

（四）樣本量需求少

由于只在小小的芯片上完成檢測，因此需要被檢測的樣本量需求非常少，往往只需要微升甚至納升級別。此外還可以直接用全血進(jìn)行檢測，對于嬰兒、老人、殘疾人這些血量少、靜脈采集困難的人群，使其檢測更加方便；或者是非常珍貴稀少的樣本，使其多項(xiàng)指標(biāo)檢測成為可能。

（五）污染少

由于微流控芯片的集成功能，原先在實(shí)驗(yàn)室里需要人工完成的各項(xiàng)操作全部集成到芯片上自動(dòng)完成，使人工操作時(shí)樣本對環(huán)境的污染降低到最低程度。例如在分子核酸類檢測中，無論是樣本本身，還是制備后準(zhǔn)備用于檢測的核酸，均會(huì)對實(shí)驗(yàn)室造成污染，氣溶膠的擴(kuò)散使得后續(xù)樣本檢測容易出現(xiàn)假陽性。這也是為什么常規(guī)分子核酸類檢測需要至少在3個(gè)房間分別進(jìn)行不同的操作。微流控技術(shù)的使用很好的解決了這一問題。

正因?yàn)槲⒘骺鼐哂幸陨蠋讉€(gè)重要的優(yōu)勢和優(yōu)點(diǎn)，使其成為了POCT的首選。而我們判斷這類產(chǎn)品在市場上有沒有需求和競爭力，可以從這幾個(gè)方面上進(jìn)行判斷。

四、微流控的不足

（一）核心技術(shù)缺乏規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

一個(gè)成熟的微流控產(chǎn)品，往往需要配套使用的試劑，核心的微流控芯片，芯片驅(qū)動(dòng)平臺，光電檢測模塊，信號處理模塊以及人機(jī)交互的軟件系統(tǒng)等等組件。對于一個(gè)成熟的產(chǎn)業(yè)鏈而言，一個(gè)復(fù)雜的產(chǎn)品的不同組件是由不同公司大規(guī)模的生產(chǎn)，然后有某個(gè)掌握一個(gè)或者幾個(gè)核心技術(shù)的公司組裝而成。這里最典型的代表就是智能手機(jī)。資金雄厚如蘋果公司，也沒法把諸如CPU，內(nèi)存，屏幕等等所有組件的產(chǎn)業(yè)線全部掌握在自己手上。但是在微流控的產(chǎn)業(yè)化中，由于這個(gè)技術(shù)還不太成熟，產(chǎn)品缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，目前還沒法實(shí)現(xiàn)組件的通用化。這樣也就沒法形成上下游公司合作式的開發(fā)一個(gè)產(chǎn)品的模式。而微流控產(chǎn)品本身就是結(jié)合微機(jī)電加工、生命科學(xué)、化學(xué)合成、光學(xué)工程及電子工程等許多領(lǐng)域?qū)W科的新產(chǎn)品，技術(shù)要求高，開發(fā)周期較長。這也導(dǎo)致了，像諸如GeneXpert PCR分析儀這樣的具有突破性進(jìn)展的產(chǎn)品，由于前期高昂的研發(fā)費(fèi)用，到現(xiàn)在也沒能實(shí)現(xiàn)真正的盈利。

（二）相關(guān)人才嚴(yán)重不足

多學(xué)科交叉人才、企業(yè)研發(fā)人員、專業(yè)化市場人員嚴(yán)重不足；國內(nèi)芯片人才特別是在企業(yè)從事產(chǎn)品開發(fā)的芯片技術(shù)人員極為缺乏。

（三）目前生產(chǎn)成本高昂

對于微流控免疫分析芯片來說,其面臨的最大問題是分析芯片都是一次性使用,不能充分發(fā)揮微流控分析平臺可多次使用的優(yōu)點(diǎn),導(dǎo)致檢測成本升高,在目前加工條件下,一塊供研究用的標(biāo)準(zhǔn)玻璃芯片價(jià)值可能在幾十到上百美元之間。

（四）技術(shù)平臺的難題

比如抗體的固定。非均相免疫分析是將抗原或抗體固定在固相載體表面,通過特異性免疫反應(yīng),將所需的抗體或抗原結(jié)合在固相載體表面形成抗原抗體復(fù)合物,通過簡單的清洗即可實(shí)現(xiàn)抗原抗體復(fù)合物與游離抗原抗體的分離。因此,如何將抗體固定在微通道的表面成為非均相微流控免疫分析芯片的一個(gè)關(guān)鍵問題。有很多方法可以將抗體固定在通道表面,包括通道壁對抗體的直接吸附、共價(jià)結(jié)合在基底面形成活性功能基團(tuán)、微接觸印刷等技術(shù)。抗體等生物分子可以通過疏水作用直接吸附在疏水性微通道的表面,但是可能引起抗體的構(gòu)相改變而導(dǎo)致活性降低。同時(shí)對微通道表面的封閉是非常重要的,通過封閉限制蛋白和小分子物質(zhì)的非特異結(jié)合,這些非特異結(jié)合會(huì)影響分析效率。蛋白質(zhì)的非特異性結(jié)合和抗體的變性使免疫分析的靈敏度大大降低,因此對于微流控免疫分析芯片系統(tǒng),采用合理的方法交聯(lián)抗體顯得非常重要。

另外,微流控芯片與外圍設(shè)備如自動(dòng)分析、顯示設(shè)備等的集成化也是需要重點(diǎn)攻克的難題。

微流控芯片是注定要被深度產(chǎn)業(yè)化的科學(xué)技術(shù)。這種判斷首先當(dāng)然是源于需求的不可逆轉(zhuǎn)，需求加劇，進(jìn)程加快；另一方面，則是基于對這一科學(xué)技術(shù)在一些重大領(lǐng)域不可替代性的認(rèn)識，而這種認(rèn)識只是在最近的若干年內(nèi)才被人們所逐步接受。它很可能發(fā)展成為當(dāng)今產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的一種模式，對以生物經(jīng)濟(jì)為代表的新型經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重要影響。例如未來幾年內(nèi)，如果將微流控芯片與“生物手機(jī)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”進(jìn)一步結(jié)合，這樣一個(gè)由一種新興技術(shù)引發(fā)的可能具有全局性影響的趨勢，是否能夠因此誕生一批“風(fēng)口”行業(yè)值得大家期待。

（文章來源： IVD資訊 科學(xué)網(wǎng)科學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）