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    文章詳情

    什么是微流體?它的未來是什么?

    日期:2023-05-06 20:23
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    摘要:微流體技術是指在微觀尺寸下控制、操作和檢測復雜流體的技術,是在微電子、微機械、生物工程和納米技術基礎上發展起來的一門全新交叉學科。

    什么是微流體?它的未來是什么?

    微流體技術是指在微觀尺寸下控制、操作和檢測復雜流體的技術,是在微電子、微機械、生物工程和納米技術基礎上發展起來的一門全新交叉學科。

     

    在生物、化學、材料等科學實驗中,經常需要對流體進行操作,如樣品DNA的制備、液相色譜、PCR反應、電泳檢測等操作都是在液相環境中進行。如果要將樣品制備、生化反應、結果檢測等步驟集成到生物芯片上,則實驗所用流體的量就從毫升、微升級降至納升或皮升級,這時功能強大的微流體裝置就顯得必不可少了。因此隨著生物芯片技術的發展,微流體技術作為生物芯片的一項關鍵支撐技術也得到了人們越來越多的關注。

     

    與微電子技術不同,微流體技術不強調減小器件的尺寸,它著重于構建微流體通道系統來實現各種復雜的微流體操縱功能。與宏觀流體系統類似,微流體系統所需的器件也包括泵、閥、混合器、過濾器、分離器等。盡管與微電子器件相比,微通道的尺寸顯得相當大,但實際上這個尺寸對于流體而言已經是非常小。微通道中的流體流動行為與人們在日常生活中所見的宏觀流體流動行為有著本質的差別,因此微泵、微閥、微混合器、微過濾器、微分離器等微型器件往往都與相應的宏觀器件差別甚大。

     

    為了精準設計微流體系統中所需的器件,首先要確定微通道中流體的流動性質。人們利用共焦顯微鏡成像技術可以方便地對微通道中的流動過程進行量化,達到了以往無法實現的高分辨率。世界上first微流體器件由英國帝國理工大學(Imperial College)的曼齊(A Manz)、美國橡樹嶺國家實驗室的拉姆齊(M Ramsey)等科學家在1990年代初研制成功。該器件是利用常規的平面加工工藝(光刻、腐蝕等)在硅、玻璃上制作的。盡管這種制作方法非常精密,但成本高,且不靈活,無法適應研發需求。懷特賽茲(G M Whitesides)等人又提出一種軟光刻微加工方法,即在有機材料上印制、成型出微結構,從而能方便地加工原型器件和專用器件。另外這個方法還能構建出三維微通道結構,并能在更高層次上控制微流體通道表面的分子結構。

     

    噴射是成熟的微流體技術,它使用直徑小于100微米的孔來產生微滴。這項技術可用于輸運微反應中的微量試劑,以及將微量DNA樣品分發到載體表面形成微陣列。

     

    微流體是什么?

    微流體系統是任何處理微量液體的設備。這些液體通過的通道比頭發還要細,微小的閥門可以開啟和關閉流量。這些通道通常由玻璃、聚合物、紙或凝膠等材料制成。

    要想使流體移動,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;當然還有一種方法使用的是所謂毛細管作用 —— 更常見的是芯吸作用。芯吸是儲存在液體中的能量推動液體通過狹窄空間的過程。

    在微小的尺度內,流體的運動方式并不直觀。 并不像我們常見的從花園水管或淋浴噴頭出來的湍流、混亂的水流。 相反,在狹窄的微通道容積中,流量異常穩定。

    流體會以有組織的平行流沿通道向下移動 —— 稱為層流。層流是微流體系統中的一大奇觀。層流中的流體和顆粒會遵循數學上可預測的路徑流動,這是精密工程和醫療設備設計的必備條件。

    這些對研究人員具有啟發意義的過程,在自然界中存在了千百萬年。植物利用毛細作用將營養物質從根部輸送到高的樹枝上,這就是自動供電的微流體電路的靈感來源。

    化學家們模仿雨滴的物理特性,設計了一種設備,將樣本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的化學實驗室,化學家們可以研究生物分子的進化,并進行超快的遺傳分析等等。

    就連人體的每個角落都是微流體的。如果沒有復雜的毛細/血管為每個細胞輸送食物、氧氣和信號分子,我們就不可能出生或正常生活。

     

    微型科技的好處

    就像微電子學一樣,尺寸是微流體的關鍵。

     

    隨著元件變得越來越小,設備可以在很小的尺度上依賴于液體的奇怪特性,可以更快、更有效地操作,而且制造成本更低?,F在,微流體已經悄悄地搭上了電子產品的順風車。

     

    微流體裝置的另一個主要優點是,它們只需要非常少量的液體,因此尺寸可以很小。

     

    技術、生物和醫學中的微流體學

     

    實際上,你在生活中會經常使用微流體。噴墨打印機能噴出微小的墨滴;3D打印機通過微流體噴嘴擠出熔融聚合物;鋼筆和圓珠筆中的墨水是通過微流體原理流動的;哮/喘患者的噴霧器可以噴射出微小的藥液滴;懷孕測試依賴于尿液在微流體紙條中的流動。

     

    在科學研究中,微流體可以將藥、營養物或任何液體引導到生物體的特定部分,以更精準地模擬生物過程。

     

    例如,研究人員將蠕蟲困在通道中,用氣味刺激它們來了解神經回路。另一個研究小組將營養物質導向植物根部的特定區域,觀察對生長化學物質的不同反應。其他研究小組設計了微流體陷阱,從血液中物理捕獲罕見的腫瘤細胞。

    大量的微流體遺傳芯片提供了對人類基因組進行快速測序的能力,并使諸如23andMe之類的個性化DNA測試成為現實。 沒有微流體,這是不可能的。

    微流體的未來

    微流體技術將是引導醫學進入一個新的、快節奏的、負擔得起的時代的關鍵。用于運動監測的可穿戴設備,以及將抗/癌藥局部傳遞到患者腫瘤上的可植入設備,是生物醫學微流體的下一個前沿領域。

    研究人員正在開發一種名為芯片上的器官的復雜而迷人的微流體系統,旨在模擬人體生理的各個方面。


    在世界各地的實驗室里,研究團隊都正在開發芯片上的腫瘤平臺,以更有效地測試抗/癌藥。這些病人的化身,將使科學家能夠以一種不涉及與動物或人類試驗相關的成本、痛苦和倫理問題的方式測試新的治/療方法。


    在實驗室里,我們首先將癌癥患者的腫瘤活檢解剖成數千個顯微的規則片段,然后讓它們存活下來。由于它們的體積很小,我們可以使用微流體將微小的腫瘤碎片捕獲到多個孔中,每種藥一個孔。


    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對特定人的作用方式。


    大膽的想象一下,你去看醫生,把活檢取出來,在不到一周的時間里,通過使用我們的微流體設備,醫生就能找出哪種雞尾酒藥適合切除你的腫瘤。


    雖然,這仍是未來的事,但我們知道的是,未來將是微流體技術的。

     

     

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