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03
2026-06
微流控芯片（下）
微流控芯片的微纳加工：材料和方法
微流体芯片是使用各种方法（光刻、成型、蚀刻、压花、3D打印）制造的，以设计通道、腔室和孔等微米结构。芯片生产的主要材料是无机材料（玻璃、硅、陶瓷等）、聚合物（COC、PMMA、PDMS）或有机材料（通常为纸）。材料决定了切屑特性。在选择或生产芯片时，必须考虑最终应用。
1.硅或玻璃微流控芯片的制造
无机材料最早用于微流体芯片的微加工，第一代微流控芯片是在硅或玻璃中制备的，并采用标准光刻技术进行加工。玻璃是光学透明的绝缘体，而硅是不透明的。玻璃和硅是高刚性材料，在高温下具有高稳定性，并且对有机溶剂具有很强的抵抗力。此外，由于玻璃/硅芯片通常通过光刻技术生产，因此它们可以达到亚微米级通道尺寸，具有很高的可重复性。由于高热稳定性和溶剂兼容性，片上反应和液滴形成也非常适合硅/玻璃的应用。
使用这些材料进行微芯片微加工的重大问题是成本高和使用危险化学品，这需要训练有素的实验室技术人员在昂贵的设施中工作。这些芯片也不适合中低规模生产，并且在玻璃中不渗透气体。尽管它们与生物样品兼容，但不适合细胞培养。最后，高刚度使这些材料变得脆弱，使用时需要格外小心。这些限制导致了其他芯片材料的发展，这些材料易于制造并与更广泛的生物应用兼容。硅微流控芯片的生产方法：光刻。制造玻璃微通道的方法不如硅多样化和先进，大多采用机械、湿法或干法蚀刻法制造。
2.聚合物微流控芯片的制造
基于聚合物的微流控芯片是在硅和玻璃芯片问世几年后推出的。聚合物种类繁多，在选择具有特定性能的合适材料时具有极大的灵活性。在微流体芯片的微加工中，聚合物为玻璃和硅提供了一种有吸引力的替代品，因为它们易于获得、通常更便宜并且具有合适的物理特性。
许多聚合物可用于制造芯片，例如聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）、聚氯乙烯（PVC）、环烯烃共聚物（COC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或聚二甲基硅氧烷（PDMS）。聚合物可分为三类：弹性体、热塑性塑料和热固性塑料。
图注：PDMS粘合技术。（a）在氧等离子体处理后对齐并粘合包含微通道腔和微小孔的PDMS层。(b)氮等离子体诱导的PDMS的胺基与SU-8基片的环氧环发生化学键合。(c)通过将对环泛物化学沉积聚合到基片上实现微通道层的化学键合。
PDMS是快速生产微流控芯片的首选材料，因此PDMS芯片通常用于实验室，尤其是学术领域。生产PDMS芯片最流行的制造方法是软光刻。在这种方法中，液体PDMS与固化剂混合以交联聚合物。固化剂的用量决定了最终产品的硬度。随后将整个解决方案浇铸在母模（通常是硅基）模具上。将母版置于60°C左右的烘箱中1小时至4小时以允许交联。固化后，PDMS很容易从母模上剥离。此时，获得了开放通道，并且需要将PDMS粘合到另一个表面以形成封闭通道。它可以粘接到多种材料上，例如玻璃或粘接回PDMS。这是通过对要粘合的表面进行等离子处理（最常见的方法）或机械或化学粘合来完成的。
3.纸基微流控芯片的制造
纸基微流控芯片的微加工相对简单和灵活，可以在通道分辨率和成本之间取得平衡。使用纸张作为芯片材料有几个优点。微通道可以充当被动泵分配器（无需电源或外部元件），纸张是微流体最便宜的材料之一，通过打印制造既方便又成本低。纸基微流控设备在便携式和低成本分析方面前景广阔，特别是用于基于生物测定的个性化医疗保健。用纸微加工微流体芯片的方法有很多，包括蜡印、喷墨印刷，但也包括柔版印刷、丝网印刷、蜡丝网印刷、纸张切割，甚至光刻。
微流控芯片的应用概述
微流体以其对小流体体积的复杂控制而闻名，它突破了传统界限，并在一系列领域中找到了应用。
在化妆品领域，微流体技术占据中心位置，能够精确制作乳液和配方，并通过提高效率和准确性彻底改变产品开发。
在制药领域，尤其是在药物发现领域，微流体技术可加速实验，提供一种复杂且资源高效的方法。医疗保健行业从微流体中受益匪浅，该技术有助于个性化医疗和诊断。它对少量液体的精确作为新颖的诊断方法和量身定制的医疗干预打开了大门。
在化学领域，微流体已成为流动合成和化学计量的工具，可优化化学过程。
在生物领域，生物学家利用微流体技术进行细胞培养和3D打印，创造与生理条件密切相关的环境。液滴生成应用进一步扩展了其多功能性，微流体技术成为高精度创建和作液滴的关键工具。
在能源应用中，微流体技术在提高石油采收率（EOR）模型和等离子体约束研究中发挥着至关重要的作用，展示了其在不同科学学科中的适应性。
在工业应用中，微流体技术为提高效率、精度和成本效益提供了一个平台。
微流控芯片应用案例展示
1.细胞分析/细胞培养微流控芯片
使用液滴进行单细胞mRNA-seq测序的微流控芯片应用：Drop-seq技术。高度单分散的乳液或更复杂的结构（油包水乳液、多重封装等）的生产使微流控芯片应用成为单细胞分析或单细胞培养的出色方法。该技术允许基于液滴的单细胞RNA测序，因此可以在不同条件下表征具有多种细胞类型和状态的复杂组织。Drop-Seq技术是开创性的微流控芯片应用方法之一，该技术在每个液滴中捕获单个细胞和单个引物条形码磁珠。
因此，细胞被分离成纳升大小的水性液滴，每个细胞的mRNA具有不同的条形码。微珠上的引物包含一个由三个序列组成的条形码。一个序列用于PCR扩增，并且是所有微珠的通用序列。第二个序列由数百个单独的引物组成，这些引物也具有相同的“细胞条形码”。
2.器官芯片，微流控芯片的前沿应用
许多努力致力于开发癌症转移模型，这有助于了解疾病和创新治疗策略的开发。目前的体外和体内癌症模型无法令人满意地预测各种临床治疗对患者的影响。因此，正在开发微流控芯片方法和途径在药物发现和健康研究方面的新应用。2004年，在微流控芯片应用装置中使用细胞模拟人体生理或疾病的器官水平功能的概念首次发表。2010年，Ingber等人发明了器官芯片（OOAC）一词。微流控芯片的应用引起了制药行业、监管机构甚至国防机构的极大兴趣和关注。为了证明可以设计一个复制活体器官复杂生理功能的微系统，Huh等人开发了一种多功能微器件，可以再现人类肺泡-毛细血管界面的关键结构、功能和机械特性，该界面是活肺的基本功能单位.微流控芯片应用装置由分隔的PDMS微通道组成，在涂有细胞外基质的薄、多孔、柔性PDMS膜上形成肺泡毛细血管屏障，人肺泡上皮细胞和人肺微血管内皮细胞在膜的相对两侧培养。事实上，该设备通过对侧腔施加真空并导致PDMS膜的机械拉伸形成肺泡-毛细血管屏障来重现生理呼吸运动。该器件由3个PDMS层组成，这些层被粘合成两组三个并行微通道。PDMS蚀刻剂流经侧通道，以形成两个大的侧腔。下图显示实际的lung-on-a-chip微流体设备的图像。简而言之，空气随后被引入隔室，以形成气液界面，以模拟肺泡气腔的衬里。
使用这个微流控芯片应用平台，作者证明了由器官芯片平台模拟的呼吸运动可能会大大增强二氧化硅纳米颗粒的促炎活性，并显着促进急性肺部炎症的发展。使用现有的体外模型无法确定这种行为。
3.可穿戴微流体：一种新兴应用
微流控芯片的一个新兴应用是将微流控概念用于可穿戴设备应用。微结构储存或处理流体，是传感设备的核心。使用微流控芯片的微通道，可以纵精确的液体量，从而实现高度准确和可靠的设备，并且可用于经常分泌或提取数量有限的体液。此外，可穿戴微流体设备还可以储存特定药物，以便在受控时间间隔内精确分配。柔性微流体和电子学的创新催生了众多应用。通常，可穿戴微流体设备会收集液体，将其转移到执行检测或测量的局部站点。血液和汗液是常见的分析物，因为它们可以深入了解温度、pH值和水合作用等生理状态。可穿戴微流体技术可用于制药、食品、运动服和化妆品领域。
Kho等人开发了一种柔软的可穿戴微流控系统，可以直接从皮肤表面的毛孔中收集汗液。该器件将样品路由到不同的通道和储液槽，以便对感兴趣的标记物进行多参数传感，并可选择与外部设备进行无线接口以进行图像捕获和分析。该设备可以使用无线数据传输通过比色检测来测量总汗液流失、pH值、乳酸、氯化物和葡萄糖浓度。由于它是一种简单、低成本且快速的分析护理点设备，因此可用于随着时间的推移积累个人用户的数据，这可以作为一种分析方法来解释标志物浓度的趋势，在进行身体活动时可能提供警告信号。
自从引入微流控技术以来，微流控芯片的应用范围多年来不断扩大。最初的应用集中在分析化学上，但今天生命科学领域，特别是即时护理是微流体的核心。我们介绍了与传统系统相比，微流控芯片显示出巨大优势的应用。通过展示与这些应用相关的研究论文，说明了这些应用的重要性。这里介绍了微流控芯片的一些重要应用。微流体技术涵盖广泛的应用，例如微反应器、生物打印、燃料电池等等。
微流体的发展才刚刚开始！
微流体技术提供了革命性的新功能。它仍然是一项相当新的技术，还有很多工作要做，以便它可以为非流体物理学专家的用户（如临床医生、细胞生物学家和公共卫生官员）解决问题。
微流体应用和产品已经出现在市场上，尤其是在纳米医学领域，可以更精确地分析DNA和蛋白质、细菌等分子，或在单个细胞规模上进行分析。高通量筛选和器官芯片技术的持续发展将导致更快、更好的药物开发。随着芯片实验室和microTAS的发展以及将微流体与自动化相结合的可能性，新的诊断产品将更便宜、更快捷，从而为发展中国家带来好处。
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