微流控技術：您從未聽說過的下一個醫學突破

什么是微流控？

微流控系統是處理極少量液體的任何設備。流體穿過比頭發還細的通道，微小的閥門可以打開和關閉流體。這些通道由玻璃、聚合物、紙或凝膠等材料制成。移動流體的一種方法是使用機械泵；另一種方法是利用某些材料的表面電荷；另一種方法是使用所謂的毛細作用——通常稱為芯吸作用。芯吸作用是儲存在液體中的能量推動液體穿過狹窄空間的過程。

有色液體從左下方進入，但由于層流，即使它們通過一個單一通道并從右上方流出，也保持相對未混合。

圖片：Greg Cooksey 和 Albert Folch

在小尺度上，流體以不直觀的方式表現。想象一下從花園軟管或淋浴噴頭中流出的湍流、混亂的水流。相反，在微通道的收縮體積中，流動異常穩定。流體以有組織的平行流（稱為層流）沿通道向下移動。層流是微流控系統的一大奇跡。層流中的流體和顆粒遵循數學上可預測的路徑——這是精密工程和醫療設備設計的必要條件。

這些過程——對研究人員來說是鼓舞人心的——已經在自然界中存在了億萬年。植物利用毛細血管將養分從根部輸送到最高的樹枝，這是自主供電的微流控回路的靈感來源。模仿雨滴的物理特性，化學家設計了一種裝置，可以將樣品分解成數百萬個液滴，并以令人眼花繚亂的速度對其進行分析。每個液滴本質上都是一個微型化學實驗室，化學家可以通過它研究生物分子的進化并進行超快速遺傳分析等。

最后，人體的每個角落都是微流控。如果沒有錯綜復雜的毛細血管，將食物、氧氣和信號分子帶到每個細胞，我們就無法出生或運作。

微型技術的好處

就像微電子學一樣，尺寸是微流控的關鍵。

隨著組件變得越來越小，設備可以在微小尺度上依賴液體的奇怪特性，可以更快、更有效地運行并且制造成本更低。微流控革命一直在默默地捎帶電子革命。

葡萄糖條是一種微流控裝置，只需要極少量的血液來測量血糖

圖片：Albert Folch，CC BY-ND

微流控設備的另一個主要好處是它們只需要非常少量的液體，因此尺寸很小。美國宇航局長期以來一直在考慮為其火星探測器安裝微流控分析儀。對珍貴液體（如人血）的分析也受益于使用小樣本的能力。例如，血糖儀是一種微流控儀器，只需要一滴血就可以測量糖尿病患者的血糖。

技術、生物學和醫學中的微流控

您可能在生活中經常使用微流控。噴墨打印機噴射微小的墨滴。3D 打印機通過微流控噴嘴擠出熔融聚合物。鋼筆和圓珠筆中的墨水通過微流控原理流動。用于哮喘患者的霧化器噴出微小的藥滴霧。妊娠試驗依賴于微流控紙條內的尿液流動。

在科學研究中，微流控技術可以將藥物、營養物質或任何流體引導到生物體的特定部位，以更精確地模擬生物過程。

例如，研究人員將蠕蟲困在通道中并用氣味刺激它們以了解神經回路。另一個團隊將營養物質導向植物根部的特定區域，以觀察對生長化學物質的不同反應。其他團體設計了微流控陷阱，可以從血液中物理捕獲罕見的腫瘤細胞。大量微流控基因芯片提供了快速對人類基因組進行測序的能力，并使23andMe等個性化 DNA 測試成為現實。如果沒有微流控技術，這一切都是不可能的。

該裝置是“芯片上的腫瘤”，每個孔中都含有不同的藥物，這些藥物被泵送到放置腫瘤樣本的中心。

圖片：Adan Rodriguez 和 Albert Folch，CC BY-ND

微流控的未來

微流控技術對于將醫學帶入一個新的、快節奏的、負擔得起的時代至關重要。測量汗液中物質以進行運動監測的可穿戴設備和將抗癌藥物局部輸送到患者腫瘤的可植入設備是生物醫學微流控的下一個前沿領域。

研究人員正在開發復雜、引人入勝的微流控系統，稱為芯片器官，旨在模擬人體生理學的各個方面。在我自己的實驗室和世界各地的其他實驗室，團隊正在開發片上腫瘤平臺，以更有效地測試抗癌藥物。這些患者化身將使科學家能夠以不涉及與動物或人類測試相關的成本、痛苦和倫理問題的方式測試新療法。在我的實驗室中，我們首先將癌癥患者的腫瘤活檢解剖成數千個我們保持存活的微觀規則碎片。憑借它們的小尺寸，我們可以使用微流控技術將微小的腫瘤碎片捕獲在多個孔中，每藥一口井。這些樣本保留了腫瘤的適當細胞環境，這將使我們能夠更準確地預測藥物對特定人的作用。

想象一下去看醫生，提取活檢，在不到一周的時間內，通過使用我們的微流控設備，醫生可以找出哪種藥物混合物最適合去除您的腫瘤。那仍然是未來，但我們所知道的是，未來將是微流控。