3. 微流控和通道系統

盡管微流控的概念由來已久，但直到1990年代，Manz等人才提出了一種在硅晶片上使用微流控來構建微結構的方法。研究在于將微流控的工藝尺度推進到微納米級，真正意義上的微流控研究正是在這個尺度上開始的。研究人員隨后提出了光刻、圖案、蝕刻和3D打印方法，以實現微納級的微流控結構層。另一方面，表面力在小尺度的固體和水溶液之間的相互作用中起著至關重要的作用，因為水具有相對較高的表面張力。在上一節中，微流控的描述基于開發、原理和工藝準備。下一節將介紹兩個基本的微流體系統，以增強對微流體及其與潤濕性聯系的理解。

3.1. 封閉式門禁系統

微流體通過提出微納米級制造工藝實現封閉通道系統。現階段，Chen等人提出了計算閉合分子計算方法，為微流控走向信息化提供了基礎理論。在此基礎上，Han等人提出了一種有源微流控系統封裝技術，該技術允許將多功能組件集成在單個基板上。實際上，該系統的本質是基于基于潤濕性在封閉管道內液滴的運動。在這個過程中，毛細管驅動并不占主導地位。事實上，由于封閉系統，可以實現外部能量的直接高效遷移，從而實現液滴在管道控制的基礎上完成其目標功。由于系統的特性，可以進行精確的液滴控制，并且是目前CNC，基于微流體的自動化的最佳選擇。根據系統的特點，可以進行精確的液滴控制，并且是目前CNC，基于微流控的自動化的最佳選擇。

圖 7.（a） 微流體的封閉式系統：測量系統、微流體陣列、MST和模擬。（b） 微流體的開放獲取系統：測量系統、細胞培養、3D結構和組織培養（c） 比較兩個系統的樹狀圖。

除其他外，在這個階段實現了連續流動微流控。連續流動微流控是通過毛細管元件中的流動流體控制穩態流體流過狹窄通道或多孔介質，這可以通過簡單地改變毛細管元件的橫截面幾何形狀來實現。在該系統中，液體流動由外部壓力源、外部機械泵、集成機械微型泵或毛細管力和電氣機構的組合驅動。上述研究證明了連續流微流控的特點：生化應用的簡單性和材料基材的通用性。綜上所述，連續流微流控操作是占主導地位的方法，并在實踐中應用了一些結果。在微流控陣列中，Tahveldari等人報道了通過微閥調節實現集成在微流控網絡中的納米孔陣列的電通道和流體通道（圖7）。該網絡允許使用各種流道，其中生物分子樣品可以使用獨立的納米孔進行分析。隨后，Kamei等人報道了用于細胞篩選的微流控-納米纖維雜化陣列（圖8）。這種混合陣列具有集成微流控通道和納米纖維的組合平臺，可協同工作以實現細胞篩選。不久前，Mei等人報道了一種基于納米纖維的微流控系統，用于多種汗液分析和可穿戴性。隨著研究的進展，微流控紡絲技術也被報道。Cui等人報道了通過微流控紡絲技術實現易于訪問的可穿戴設備（圖7）。該工藝環保、綠色，可進行大規模生產。隨后，胡等人報道了通過微流控紡絲路線將結構可調的氧化石墨烯纖維用于多功能紡織品（圖8）。此外，流體動力學也被引入到工藝中，作為實現最佳結構的一種方式。相比之下，最近關于封閉式系統微流控系統的研究主要集中在仿真上。雖然目前對封閉式系統微流控系統的研究主要集中在有機環境的模擬上，但Fu和他的同事報告了在復雜的微流控網絡中通過真空壓力加速運動（V-PAM）加速生物流體填充（圖7）。這項研究在集成微流體中實現了先進的流體控制和運輸，用于各種微流體診斷、器官芯片和仿生研究。此外，Chen和他的同事報道了可注射有機/無機微流控微球促進骨修復的免疫學和生物信息學分析（圖8）。本研究系統揭示了材料植入后局部免疫反應的早期變化以及影響晚期成骨的機制。

然而，微流控的進步超越了封閉通道系統，因為整體流量控制結構帶來了固有的集成挑戰。流體參數沿流動路徑變化，使任何給定點的流體流動取決于系統的特性，從而降低了其對需要高靈活性的流體操作的適用性。為了克服這些技術缺陷，研究人員應用了封閉式系統微流體的精確特性。例如，Strohmeier等人提出了一種基于封閉式系統微流控的離心式微流控平臺。該平臺利用一整套流體單元操作，如流體輸送、計量、混合和閥門控制，實現自動化流體處理。此外，Ayuso等人提出了封閉式微流控系統在精準醫療中的應用，并討論了功能性微流控檢測作為治療預測因子的當前和潛在未來作用。

3.2. 開放獲取系統

微流體的開放接入系統意味著至少去除系統的一個邊界，將流體暴露在空氣或其他界面中，以控制穩態流體流過狹窄的通道或多孔介質。由于與連續流微流體系統不同，微流體的開放式系統不需要保持密封，因此開放式微流體需要的封裝技術要少得多。它允許直接且相對簡單的開放式微流體制造。例如，Berry等人使用一種簡單的圖案化方法來制造水凝膠壁，以便能夠觀察微流體現象以進行細胞信息交換（圖7）。在此基礎上，Berthier等人分析了開放的微流控毛細管系統。在這個系統中，流體在四面沒有物理壁的通道中受到毛細管力的操縱。典型的通道幾何形狀包括空腔、軌道或橫梁以及具有多個氣液界面的復雜系統。移除通道壁允許在通道中的任何位置移除和添加通道。因此，Lee等人報道了微流體系統模塊化光流體模塊的按需和開源原型設計。在本報告中，光流體模塊塊作為分立元件呈現，用于模塊化外圍光學和流體系統，并用于整個微流體系統的按需和開源原型設計。每個模塊化模塊都是通過將光學或流體設備嵌入到相應的 3D 打印結構中來創建的。

此外，該系統暴露于其他相界面有助于材料通過其液體表面張力而不是依賴外部驅動力來啟動微流體運動的能力。這一優勢允許集成開放式微流體。基于這一特性，Su等人報道了使用集成數字分子計數微流控孔板對稀有細胞進行超靈敏的多參數表型分析（圖7）。與傳統方法相比，微流控平臺中的免疫傳感器可以高度準確地檢測促炎細胞因子細胞分泌的小信號和中信號，以及單個細胞的精確計數和基于圖像的細胞計數。同樣，Day等人報道了注塑成型的開放式微流控板嵌件。這種使用生物相容性水凝膠的微流控插入物可用于用戶友好的共培養和顯微鏡檢查。更重要的是，它為原代細胞的培養和觀察提供了一種新的方法。Lecault等人報道了微流控細胞培養陣列中單個造血干細胞增殖的高通量分析（圖9）。實現高通量分析的能力有望為細胞群異質性引起的技術挑戰提供解決方案。不僅開放存取的微流體系統也由于使用而驅動了 3D 微流體，并允許自下而上的設計。隨著細胞培養和 3D 結構設計的發展，研究人員試圖將二維細胞培養與 3D 結構設計相結合，建議使用開放式微流體來實現組織培養。Zhang的團隊提出了一種名為IFlowPlate的微流控平臺的制造方法（圖7）。該平臺能夠對多達 128 個獨立灌注和血管化的結腸類器官進行體外培養，血管化類器官芯片裝置的設計不需要任何外部泵送系統，并允許提取組織進行下游分析。在此之后，Haun的團隊使用微流控平臺加速組織加工成單細胞。這種方法大大加快了組織和原代培養模型的分子分析。Shafagh等人報道了一種微流控共培養芯片，該芯片可以識別人體代謝反應的特征（圖9）。該芯片可識別糖尿病前期高血糖癥中的人體代謝反應特征，允許不同 3D 原代人體組織培養物之間的整合和互通，并且通過微通道電阻器的特定配置連接到多個組織室的微流控單“合成心臟”氣動驅動單元實現每個組織腔室的受控異源灌注。多個組織室。

圖 8.封閉系統微流控應用。（a） 封閉系統微流控在微流控陣列中的應用：具有納米陣列的裝置、構建的中間體和分析結果（b） 閉系統微流控在MST中的應用：MST的裝置、MST的過程和樣品的形貌（c） 封閉系統微流控在模擬中的應用：模擬裝置及其過程

綜上所述，微流控與表面潤濕性之間聯系的基礎是基于封閉/開放通道系統的構建，作為目前微流控實現的介質，需要根據實際情況加以考慮以達到最佳效果（圖6）。封閉系統用于高精度微流控技術，如模擬、微尺度熱泳 （MST） 和微流控陣列，在這些技術中，需要受控和封閉的環境。另一方面，當細胞培養、組織培養和 3D 結構等應用需要高度靈活性時，開放系統是首選。隨著微流體技術的不斷發展，開放和封閉系統之間的區別變得越來越不明確。微流控技術的未來趨勢是以并聯或串聯配置連接多個獨立的微流控系統。這種方法避免了在實際應用中將系統嚴格分類為開放式或封閉式的必要性，因為它可以根據獨特的要求和功能進行定制和鏈接。

圖 9.開放系統微流控應用。（a） 封閉系統微流控在細胞培養中的應用：細胞培養的裝置、裝置的中間值和細胞培養的結果（b） 封閉系統微流控在構建三維結構中的應用：構建三維結構和三維結構的裝置（c） 封閉系統微流控在組織培養中的應用：組織培養裝置和組織培養結果

四、微流控的主要應用

微流體在生物學和醫學領域的潛力是巨大的，這要歸功于它能夠以極高的精度和速度操縱微量流體。微流體裝置在開放和封閉系統原理下運行，正在催化當代生化研究的范式轉變。這種轉變是顯而易見的，因為細胞培養和藥理學創新領域從根本上取決于液固界面相互作用。因此，科學界正在逐步將微流體作為一種具有重大前景的工具。微流控技術與免疫測定的整合預示著生物標志物檢測領域的變革性進步。這種協同作用有助于加快檢測處理速度，最大限度地減少試劑體積，降低功耗，并擴大集成和自動化范圍，超越傳統方法的能力。本節旨在闡明微流體領域的前瞻性軌跡和新興趨勢，強調它們對診斷和生物學研究的未來的影響。微流控的前景充滿希望，預計連續的研究工作將在生物和醫學科學的一系列應用中提高微流控設備的效率和功效。微流體技術的未來趨勢包括日益復雜的系統工程，在單一設備中融合多種功能，以及集成人工智能和機器學習算法，以促進實時分析和自主調節。這些進步的進步有望增強微流控技術的功能范圍，從而為該學科的突破性創新奠定基礎。本節將深入探討預期的趨勢，并探討它們在重塑微流體未來方面的潛力。

4.1. 細胞分析和微生物學

微流控在生物學中的突出應用是細胞培養。通常，細胞（例如真核細胞）的大小在10至100μm之間，細胞培養在液體中進行，原則上屬于微流體的操作范圍（圖10a）。此外，微流控通道的大小非常適合細胞的物理大小（大約10μm），因此研究人員使用微流控技術來培養細胞。

圖10. （a） 微流控在細胞培養中的示意圖（b）在標準壓力驅動的微流控系統裝置中進行的反應的示意圖比較：標準壓力驅動的微流控系統裝置與微通道中由灰色“分隔器”水流隔開的層流。（c） 組織示意圖：切碎組織消化裝置、切碎消化裝置內的組織以及組織的生長速度（d） 神經組織示意圖：細胞培養過程、神經組織的觀察和神經測試的結果

首先，微流控細胞培養的一些主要優點包括減少樣品量以及在同一設備中定制和研究多個微環境的靈活性。例如，在原代細胞等細胞較少且可以嚴格控制生長分裂次數的條件下，微流控技術比傳統技術具有相當大的優勢。作為回應，Haun的團隊提出了微流控平臺來加速組織處理。更重要的是，該平臺可用于分子分析和原代培養模型，從而實現減少消耗和提高器官組織利用率的目標（圖10c）。Brandenberg等人提出了一種基于激光燒蝕的原位技術，用于在生物相容性凝膠中制造復雜的微流體網絡，而無需手動操作。該方法與3D細胞培養完全兼容，為細胞生物學、發育生物學和基于干細胞的組織工程開辟了前所未有的機遇。隨著計算機技術的發展，合成生物學得到了廣泛的發展。

其次，微流控技術可以精確模擬生物體內細胞的生長環境。如上所述，微流控系統內存在層流現象，類似于生物體內流體的運動，在這種環境中培養細胞有利于生長梯度的形成，對細胞產生觸覺效果，這對于神經元細胞的研究具有開創性。該方法能夠將 2D 圖像信息轉換為先進的體外模型，用于未來的患者分層和個性化藥物開發。

可以預見，微流控在細胞培養中的未來將進一步進入神經元細胞培養，從2D細胞培養到3D器官組織培養。這將進一步增強微流控在生物學研究中的作用。通過自動化微流控實現高效的細胞培養現已成為現實。這表明未來的生物細胞學研究將使用微流控作為技術載體，以實現更大的突破。

4.2. 診斷和藥物遞送

微流控在醫學上最突出的應用是藥物發現，目前主要基于高通量篩選和檢測。高通量篩選是一種同時評估生物活性的先進技術，具有許多篩選通量和測試。與基于培養皿和實驗動物的傳統藥物篩選方法相比，對于滿足微流控微觀、快速、靈敏特性的高通量篩選和檢測技術，微流控生物測定可以避免倫理問題。微流控的具體用途根據藥物研發的需要分為三種模式。

微流控的一個顯著應用是開發用于藥物測試的單細胞微陣列。傳統的藥物測試方法通常涉及使用組織樣本，然后從組織中提取細胞進行分析。然而，這種方法可能無法滿足藥物開發的需求。微流控系統為這一挑戰提供了解決方案。通過使用專為單細胞分析而設計的具有微觀特征的微流控芯片，這些芯片可以被動捕獲單個細胞并分析它們對藥物的反應。這允許批量測試和快速確定被測藥物的有效性。單細胞微陣列的優點是它們可以更準確、更詳細地了解單個細胞對藥物的反應。這些信息在藥物開發中至關重要，因為它可以幫助研究人員識別潛在的候選藥物并了解細胞水平的作用機制。事實上，在單細胞微陣列中使用微流控技術為藥物開發提供了強大的工具，能夠更高效、更精確地測試候選藥物。這有可能顯著推動藥理學領域的發展，并有助于開發更安全、更有效的藥物。例如，Dura等人報道了一種用于分析淋巴細胞相互作用的微流控平臺（圖11a）。該平臺可在規定的接觸時間內實現淋巴細胞的高通量確定性配對，從而在受控微環境中準確評估每對淋巴細胞的早期激活事件。

圖 11.（a） 單細胞微陣列示意圖：器件、微觀形態和分析過程（b） 濃度梯度發生器微流控系統裝置的示意圖比較：裝置和分析過程（c） 3D器官芯片示意圖：設備和分析結果

第二，濃度梯度發生器。在藥物開發早期，藥物在受體中的濃度非常關鍵，測試對不同濃度藥物的毒性反應非常困難。相比之下，微流控系統下層流的存在使得微流控芯片可以充當濃度梯度發生器，通過精確控制細胞與藥物之間的距離，以及分支結構的多步稀釋來實現梯度藥物濃度，以此來檢測合適的藥物濃度。例如，Tang等人報道了一種基于離心微流控的高度自動化的線性濃度梯度發生器（圖11b）。該設備的操作基于多層微流體的使用，其中要混合的單個流體樣品在各自的層中存儲和計量，然后最終轉移到混合室以實現測量。

第三，3D器官芯片。藥物上市后監測需要進行體內動物研究，以獲得藥物的特定參數作為改善指標。然而，體內動物試驗既昂貴又有道德問題。由于加工技術的進步，三維（3D）類器官有望在藥物藥理學研究中取代動物。這為跟蹤藥物分布和毒性以預測體內行為提供了一個平臺。Delon等人報道了實現器官模型培養的無泵和無管微流控技術（圖11c）。該技術使用親水線，通過在細胞培養室中的受控條件下持續蒸發來提供灌注細胞培養基的驅動力。通過調整螺紋的長度和/或直徑，可以應用明確定義和可調節的流速。

綜上所述，微流控大大加速了藥物開發，實現了高效、經濟的技術突破。未來的微流控技術極有可能將這三種模式整合在一起，從而實現一步到位的藥物發現方法，并實現研發目標。現在，藥物開發智能正在應用于微流控。Prince等人報道了一種示意圖微流控平臺，用于生成在仿生水凝膠中生長的大陣列乳腺腫瘤球體，具有接近生理流動。該癌癥球體微陣列模型用于研究藥物劑量和供應率對乳腺腫瘤球體化學敏感性的影響，節省時間和精力。Pandya等人報道了一種用于在癌癥微環境中篩選藥物的3D微流控平臺，該平臺可用于在不到12小時的時間內對化療藥物的成功進行實時確定性分析。

在本節中，很好地介紹了微流控在細胞培養和藥物開發方面的成就。很明顯，有兩大趨勢推動了微流體技術的發展：集成和編程。最初的趨勢是整合，越來越多的研究不僅關注微流體的能力，還關注其在現實世界中的應用。根據這一概念，微流控被視為一個全面的技術中心，而不僅僅是一個芯片或一個平臺。涉及大量過程，包括測試、孵化和準備。這種組合方法增強了微流體的整體功能，使其成為眾多應用的重要儀器。隨著微流體在功能和結構方面變得越來越復雜，集成編程不可避免地隨之而來。編程通過促進藥物開發和細胞培養周期，在推進生物學研究方面發揮著關鍵作用。這項技術使微流體領域取得了重大進展，可以更快、更精確地進行實驗。未來，微流控技術有望被廣泛采用，并顯著改變眾多領域。總體而言，集成和編程的融合正在推動微流控技術能力的完全滲透和實現。這為未來帶來了巨大的潛力，微流體技術正在進步和改變不同的研究和實施領域。

5. 結論與展望

微流體代表了一個專注于操縱雙相系統中微到亞納升尺度液滴的領域，其前提是微納米界面上復雜的固液相互作用。它包括在微小尺度上探索流體動力學，例如層流的行為，以及潤濕性及其相關毛細管現象的檢查。微納表面研究的最新突破，包括微納結構的精確制造、生物納米技術的集成以及制備技術的改進，促進了微流控器件在潤濕性驅動的系統中的運行，可在開放和封閉配置下使用。這些進步在藥物合成和細胞培養領域產生了廣闊的應用，一些創新已經轉化為有形產品。這種從概念框架到實際實施的演變強調了潤濕性研究在微流體技術進步中的關鍵作用。盡管取得了這些進展，但微納領域內小尺度流體動力學的研究仍然是一個進展有限的領域。在宏觀層面上持續存在的基本流體挑戰反映在微流體環境中，其中層流和液滴行為等現象主要通過經驗方法而不是計算建模進行探索。這呈現出一種二分法：雖然微流控平臺是面向用戶的，但它們的制備工作錯綜復雜，實驗結果和理論模型之間存在明顯的差異。為了克服這一挑戰，微流控系統的發展軌跡有望從表面工程轉向全面的計算建模。這種轉變有望釋放微流體的全部潛力，彌合理論與實驗的鴻溝。計算模型的結合將增強微流體的內在價值，恢復潤濕性研究作為該領域的中心主題。

總之，這篇綜述首先討論了潤濕性的發展歷史及其與微流控的密切關系。然后介紹了微流控的基本概念，包括微流控系統中的基本毛細管現象以及層流和液滴現象。該綜述還涵蓋了微流控的實施方法，特別關注潤濕性在系統設計和液滴操作中的作用。此外，該綜述還展示了微流體技術在醫學和生物學領域的精確應用，說明了這一創新在這些領域的進展和可能性。本綜述的目的是通過展示潤濕性和微流體的重要性和潛在影響，激發對潤濕性和微流體學的進一步研究。本文將潤濕性的歷史發展與微流控的概念和應用相結合，對該領域進行了全面的概述，并為這兩個領域的研究人員提供了寶貴的資源。

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