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微流控技能

日期:2019-10-09 10:15 来源: 聚合物

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  微流控(Microfluidics)指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到阿升)的系统所涉及的科学和技术,是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。因为具有微型化、集成化等特征,微流控装置通常被称为微流控芯片,也被称为芯片实验室(Lab on a Chip)和微全分析系统(micro-Total Analytical System)。微流控的早期概念可以追溯到19世纪70年代采用光刻技术在硅片上制作的气相色谱仪,而后又发展为微流控毛细管电泳仪和微反应器等。微流控的重要特征之一是微尺度环境下具有独特的流体性质,如层流和液滴等。借助这些独特的流体现象,微流控可以实现一系列常规方法所难以完成的微加工和微操作。目前,微流控被认为在生物医学研究中具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景。

  流体在微流控的微通道中的行为与其在宏观尺度通道中不同,这些流体行为(现象)不仅是微流控的重要特征和标志,还是方便、独特的技术手段。主要的流体现象有层流和液滴。

  层流与湍流相对应,是指流体的层状流动,其流线与管壁相互平行。在粘性力远远大于惯性力,或雷诺数(Reynold number)小于3000时,层流就会出现。当几相不同颜色的流体从不同的入口进入同一个微通道时,即使它们互溶,也会形成层次分明的多相平行流动。利用层流的这种几何规律性,可以实现材料、化学环境和细胞在微通道中的有序排布。另外,在层流情况下,湍流基本消失,分子扩散将成为微尺度下传质的主要途径。由于扩散速率与分子自身的特性有关,利用分子在微通道中的不同扩散距离可以将不同的分子进行分离。也因为如此,层流下的液体混合过程相对缓慢,但是,通过在微流控微通道中制作特殊结构,如不对称鱼骨状的突起,可以加快传质过程和液体混合。

  当两相不互溶的液体(油和水)在微流控通道中流动时,在液/液界面张力和剪切力的作用下,其中一相流体会形成高度均一的间断流,即液滴。在乳液制备的方法中,如果说基于搅拌的方法是自上而下的,那么微流控则是自下而上的方法。微流控能够以非常高的通量制备高度单分散性的液滴乳液。常见的微通道结构为T型和ψ型。在某些情况下,含有不同高分子聚合物的水相液体在微流控通道中也会形成不互溶的液滴。

  制作微流控芯片的主要材料有硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和纸基等。其中PDMS的使用范围最为广泛。这种材料不仅加工简单、光学透明,而且具有一定的弹性,可以制作功能性的部件,如微阀和微蠕动泵等。PDMS微阀的密度可以达到30个/cm。但是PDMS材料容易吸附疏水性小分子,导致背景升高和检测偏差。为了克服非特异性吸附的问题,表面惰性且抗黏附的聚四氟乙烯材料开始被用于制作微流控芯片。纸基通常指的具有三维交错纤维结构的薄层材料,但是硝酸纤维素膜一般也常用于纸基微流控芯片的制作。因为纸基具有价格便宜、比表面积大和亲水毛细作用力等特点,通过结合疏水性图案化和纵向堆积等步骤,具有多元检测和多步操作集成等优点,非常适合制作便携易用的微流控芯片。

  不同的材料特性决定了不同的微加工方法。但是微流控芯片最主要的加工方法是来自于微电子行业的光刻技术和来自于表面图案化的软光刻技术。在上述两种技术的基础上,为了制作完整的微流控微通道,一般还需要对两片材料进行键合。玻璃和硅片等材料通过高温、高压或高电压等方法键合,而PDMS材料通过氧等离子处理进行键合。

  除了有机合成、微反应器和化学分析等,微流控技术在生物医学领域发挥了越来越重要的作用。目前,两个重要的应用方向是临床诊断仪器和体外仿生模型。

  微流控检测芯片一般具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点,因此特别适合发展床边(POC)诊断,具有简化诊断流程、提高医疗结果的巨大潜力。

  利用仿生微结构和水凝胶等生物材料,微流控芯片非常适合在体外实现组织和器官水平的生理功能,被称为“器官芯片”(Organs-on-Chips)。这样可以弥补传统两维细胞培养和动物实验的不足,可以动态操控和实时观察重要的生理病理过程,提高疾病的研究水平和药物的研发效率。目前已经针对肺、肠、心、肾和骨髓等器官的重要特征建立了相应的微流控体外仿生芯片。在组织和器官水平研究单个基因或信号通路的功能已经成为系统生物学研究不可或缺的重要步骤。

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