微流控芯片的材料、流體驅動方式及應用

一、微流控芯片的基本定義
微流控芯片，又稱芯片實驗室（Lab-on-chip），是一種以在微米尺度空間對流體進行操控為主要特征的科學技術。
目前，主流形式的微流控芯片是指把化學和生物等領域中涉及的樣品制備、反應、分離、檢測、細胞培養、分選、裂解等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米甚至更小的芯片上，由微通道形成網絡，以可控流體貫穿整個系統，用以實現常規化學、生物、材料、光學等不同實驗室的各種功能的一種技術。
2017年，中國科技部將微流控芯片定位為一種“顛覆性技術”，而微流控芯片中的重要分支——器官芯片則被世界經濟論壇評為2016年世界“十大新興技術”之一。
 
二、微流控芯片的材料與制作
芯片的材質決定了芯片的性能，要制作微流控芯片，芯片材料需遵循以下原則：良好的生物相容性、良好的電絕緣性和散熱性、良好的光學性能、表面具有良好的可修飾性、制作工藝簡單且制作成本低。
目前，微流控芯片制作常用的材料有：單晶硅片、石英、玻璃、有機聚合物（PMMA、PDMS、PC、COP）等，其中以聚合物最為常見。高分子聚合物的制作技術主要包括熱壓法、模塑法、注塑法、激光燒蝕法、LIGA法、軟刻蝕法等。

三、微流控芯片的流體驅動與檢測
在微流控芯片中，流體驅動方式一般可分為兩類：機械驅動方式（包括氣動微泵、壓電微泵、往復式微泵、離心力驅動等）和非機械驅動方式（包括電滲驅動、重力驅動等）。
與傳統的檢測器相比，微流控芯片對檢測器的要求更加嚴格，這主要體現在靈敏度高、響應速度快和體積小這三個方面。在目前的微流控芯片檢測技術中，光學檢測法和電化學檢測法應用最為廣泛。

四、微流控芯片的應用
微流控芯片在現階段主要應用在以下三個方面：
1）分析診斷
微流控芯片作為一種耗樣量低、分析速度快、靈敏度高的分析平臺，在即時診斷（POCT）領域具有巨大的應用潛力。微流控芯片在實現POCT產業化的應用主要集中在以核酸分析為代表的分子診斷和以蛋白質分析為代表的免疫診斷，也包括一些以代謝物分析為代表的生化診斷。另外，由于細胞群體的異質性，液滴微流控芯片也被應用于單細胞分析技術中的以單個細胞為對象的研究。
2）篩選合成
對不同材料作高通量篩選是微流控液滴芯片的重要應用領域，例如工業酶或分選不同抗生素抗性的細菌等。另外，由于液滴操控靈活，形狀可變，大小均一，可被應用于材料領域，特別是高附加值微顆粒材料的合成領域。
3）器官芯片
以微流控技術為基礎，和生物學相結合，以活細胞為背景，用微工程裝置形式重組的人體器官，可重現人體的生理和力學功能，并通過精確的控制流體流動與機械信號和組織-組織界面相結合，建立動態模型，進而實現比傳統靜態細胞培養更加仿真的效果。
2010年，哈佛大學Donald Ingber等在《Science》雜志上發表的肺器官芯片是一種具有代表性的器官芯片，器官芯片是當今對哺乳動物及其微環境進行操控的重要技術平臺。微流控器官芯片有望替代小白鼠等動物模型，用于驗證候選藥物、開展藥物毒理和藥理作用研究，實現個體化治療。  
參考文獻：
[1] 林炳承.器官芯片[M].北京:科學出版社,2019.
[2] Huh D, Matthews BD, Mammoto A, Montoya-Zavala M, Hsin HY, Ingber DE. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science. 2010 Jun 25;328(5986):1662-8. doi: 10.1126/science.1188302.