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微流控是一个越来越多地出现在论文和科学杂志上的术语；但是，微流控究竟是什么？ 事实上，微流控既指科学，也指技术。微流控基本上是在微米级对流体的操纵，这意味着其具有非常小的占地面积。 微流控的根源可以在三个主要的不同领域找到：微观分析、生物防御和微电子。微流控学最初被应用于微生物学，是作为一种分析工具，因为它可以对非常小体积的样品和试剂进行操作，这是微分析的一个引人注目的特点。此外，在一个小而便宜的设备中实现多种功能的可能性，极大地增加了微流控在这一领域的受欢迎程度。此外，与许多其他科学领域一样，基于军事目的的研究刺激了微流控技术的发展，将其作为防御潜在生物武器威胁的工具。第三个领域来自微电子。事实上，光刻技术和微电子中使用的相关制造技术在微流控应用的初期就得到了高度应用，就像硅和玻璃作为原材料一样。然而，后者很快就被聚合物取代了，因为聚合物的成本更低，其生物相容性和物理特性更高。事实上，与塑料相比，硅尤其昂贵，对可见光和紫外线辐射不透明，而且是刚性的，这使得控制单元（如泵和阀门）的实施更加困难。另外，硅和玻璃都不透气，不适合研究活细胞。 本篇文章的目的是解释为什么微流控正成为如此重要的领域，从它为研究人员提供的许多优势的物理原理开始，并以它在生物学中的重要应用结束。
微流控理论原理 微流控背后的基本思想是在一个微型设备中实现过去需要整个实验室的操作。这个概念在科学上并不新颖，事实上，正是这种需求鼓励科学家追求微电子的挑战。由于微电子是微米以下电子元件的科学和工程，微流控本质上是一个致力于“微型管道和流体操纵”的领域。然而，两者之间有很大的区别：在微流控中，基本物理随着系统的尺寸尺度变化得更快。事实上，尽管现代微电子器件已经达到了纳米级，但它们内部的电子与宏观世界的行为方式相同。另一方面，微流控装置的微通道内的流体在这种规模上获得了新的特征。最重要的例子之一是层流，即与粘度相关的影响比惯性影响更重要的状态。基本上，这意味着，如果你在游泳池中游泳，突然停止运动，你的运动会持续一段时间，而如果你的游泳池是微米级的，你会立即停止。层流对微流控设备中流体的处理方式有几个影响。事实上，在这种情况下，流体仅通过扩散混合，这是一种相当缓慢的机制，并使微流控设备内的反应更难实现。 这种规模的流体物理可能非常复杂，因为几种现象同时发生，因此通常使用一些参数来表示其中哪一种占主导地位。到目前为止，这些参数中引用最多的是雷诺数Re。这个参数是由惯性力与粘性力的比值给出的。因此，低雷诺数（<2000）表示层流状态，而高雷诺数（>3000）表示湍流。还有其他几个参数，例如Péclet数，它给出了对流和扩散之间的比率。 为了描述流体的运动，重要的是要考虑到这些物体是连续材料这一事实。因此，质量和力等特性必须用它们的“连续对应物”来代替，即密度ρ和力f，它们是按单位体积定义的。在实践中，为了评估整个系统的行为，可以将后者划分为几个无穷小的流体单元，并评估作用在其中一个单元上的力。随后，根据这些信息，可以推断出系统的平均特性。基本上，作用在每个流体元件上的力是由于其表面上的流体应力和施加在元件主体上的外力f引起的。如果流体是牛顿流体，即其粘度不随速度变化，则由此产生的速度场u由Navier-Stokes方程决定。这个方程只是牛顿第二定律的连续形式：
如前所述，在微流控中，与粘性力相比，惯性力的影响可以忽略不计；从而可以忽略先前方程中的非线性项。然而，值得注意的是，Navier-Stokes方程也只能在少数特定情况下解析求解。 微流控材料 多年来，玻璃、硅和聚合物等多种材料已被用于制造微流控装置。显然，不存在“完美”材料这回事，因为它们在微流控中使用时都有一些优点和缺点。最终，是实际应用引导研究人员进行选择。在本章中，将简要回顾微流控中最常见的材料。 用于微流控应用的聚合物 聚合物材料由于其良好的生物化学性能和低成本而被广泛应用于微流控器件的制造。其中，最常用的是PDMS。这种材料可以作为添加剂（E900）出现在食品、化妆品和润滑油中。使PDMS成为一种非常好的芯片制造材料的原因有几个，主要总结如下： 1.透明度：可以直接看到微通道及其内部； 2.弹性：PDMS具有相当的弹性，这种特性可用于各种应用，例如通过通道变形实现阀门集成； 3.成本：PDMS比用于微流控芯片制造的其他材料便宜得多； 4.渗透性：PDMS具有气体渗透性，可用于细胞培养、气体传感器等。 当然，使用PDMS进行微流控芯片制造也存在缺点。一些例子是：多年来材料的老化限制了芯片的性能，以及与许多有机溶剂的化学兼容性差，这使得PDMS主要适用于水性应用。PDMS微流控设备的另一个缺点是不可能在芯片内实现电极，即使这可以通过将电极放在玻璃盖玻片中而不是芯片本身来解决。如上所述，虽然PDMS允许快速而容易地制造微流控芯片，但它有各种缺点，阻碍了它在某些应用中的使用。为了消除这些缺点，但仍然受益于廉价和快速的生产，其他聚合物可以用于构建微流控装置。 用于微流控芯片的另一种聚合物是聚苯乙烯（PS），它是在细胞培养皿的药物研究中标准使用的聚合物。PS是光学透明的、生物相容的、惰性的、刚性的，并且其表面可以容易地功能化。此外，通过各种物理和化学方法，包括：电晕放电、气体等离子体和辐照，可以很容易地使其疏水表面成为亲水性的。其他经常用于微流控装置的聚合物是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）。PC表现出比PMMA更好的耐热性，因此它可以在更宽的温度范围内使用。PMMA是一种与PDMS相比变形较小的弹性体，因此在需要刚性时使用，例如用于微阀的管道化构造。
微流控芯片用热固性塑脂 热固性树脂的名称表示那些通过化学键连接在一起的聚合物。这种方法使它们具有高度交联的聚合物结构，这是这些材料的高机械和物理强度的原因，但与热塑性材料和弹性体相比弹性较差。热固性材料的主要特性是：不熔化，不与某些溶剂溶胀，不溶性和高抗蠕变性。用于微流控应用的最常用的热固性材料之一是热固性聚酯（TPE）。在TPE微流控芯片制造中使用的程序与PDMS所使用的程序非常相似，除了以下事实之外：首先使用UV光使TPE半固化，从主模中移除，然后允许相对于第二个半固化的TPE片完全固化，以获得最终的结合通道。 使用热固性材料的优点在于低成本、方便快速的芯片制作及其在可见光范围内的高透明度。此外，热固性材料通常与非极性溶剂相容，这反而导致基于PDMS的微流控芯片的溶胀。另一方面，与PDMS芯片相比，使用热固性微流控装置存在一些缺点，因为热固性材料不是弹性体。当固化时，它们会变成硬质材料，因此，它们需要不同于PDMS所用的流体互连器。最后，热固性材料不透气，因此这并不能使其成为细胞长期应用（如细胞培养）的良好材料。 硅和玻璃微流控芯片 最早用于微流控的材料之一是硅。这一原因取决于第一批微流控芯片与微电子行业之间的深层联系，在微电子行业，硅过去是，现在仍然是最常用的材料之一。硅在微流控应用中的优势在于其导热性、表面稳定性和溶剂兼容性。硅微流控芯片的主要缺点是其在可见电磁范围内的光学不透明性，这使得光学检测变得不可能。微流控芯片制造中的另一种先驱材料是玻璃。这种材料具有与硅相同的上述优点。特别是，其众所周知的表面化学性质、优异的光学透明度和优异的耐高压性使其成为许多应用的最佳选择。玻璃还具有生物相容性、化学惰性、亲水性，并允许高效涂层。玻璃微流控芯片的主要缺点是原材料成本较高。 纸基微流控芯片 纸张也被认为是微流控芯片制造的潜在材料。主要原因是纸张是一种非常便宜的原材料。然而，将纸张用于微流控设备应用的优势不仅仅是极低的成本。事实上，纸张薄而轻，易于储存、操作和运输。此外，它与生物样品相容，并且可以进行化学处理以与分子或蛋白质结合。最重要的是，纸张在使用后易于处理，这使其成为一种非常环保的微流控芯片材料。 使用基于纸张的微流控设备时的主要缺点是难以在芯片上形成通道图案。事实上，是没有一种“完美”的模式化方法，因为每种方法都意味着成本、便利性和分辨率之间的权衡，必须根据具体情况进行评估。 水凝胶微流控芯片 水凝胶是由分散在水中的聚合物分子链组成的胶体。用于制备水凝胶的一种常见聚合物是聚丙烯酸钠。它们在微流控设备中的应用取决于它们对生物实验的适用性：事实上，它们是很好的扩散基质，因为大多数细胞营养物质和生长因子都可以在水凝胶中扩散。事实上，已知大多数溶质在琼脂糖凝胶（一种用于微流控芯片的常见水凝胶）中的扩散性与在水中的扩散性非常接近。水凝胶具有很强的延展性，可以在其上成型各种特征设计和尺寸。此外，水凝胶是商用的，对细胞无毒、成本低、效益高。
微流控应用 在本章中，将概述一些相关的微流控应用。本篇文章将特别关注微流控的生物医学应用。 秀丽隐杆线虫固定化 微流控应用多年来，微流控在生命科学中的应用越来越频繁。事实上，利用微流控设备，研究人员已经能够促进他们在多个领域的研究。接下来将介绍一些相关的应用实例，其中微流控或可能提供显著的性能提升。 在这方面，最好的例子之一是微流控设备在秀丽隐杆线虫活体成像中的应用。秀丽隐杆线虫是一种在生物学中发挥重要作用的线虫，尽管它是一种非常简单的生物，但它有一个神经系统。由于这种特性及其独特的透明度，秀丽隐杆线虫成为活细胞成像的绝佳选择。然而，为了能够获得高分辨率的图像，有一个大问题需要克服：线虫的固定。因为线虫偶然的运动会产生伪影或失焦图像，这会严重影响观察结果。 传统的固定方法包括使用胶水或药物，这意味着它们要么不可逆转，要么可能对线虫造成伤害。此外，使用这些方法，研究人员需要花费很长时间来制备样本，并且只能处理少量样本。 微流控可以解决这些问题，因为它能够无损伤地捕获大量线虫，并在同一平台（即微流控设备）中操纵它们。近年来，已经开发了几种微流控应用来实现秀丽隐杆线虫的固定化。最值得注意的是使用了不同的“固定剂”，如冷却、压缩、限制和凝胶化。 pH控制 微流控应用主要的微流控应用之一是所谓的芯片上实验室，其目的是将整个实验室的所有功能集成在一个微流控芯片中。例如，在细胞生物学中，研究人员能够在微流控设备中培养他们的细胞，并有可能注射药物，并在细胞基础上实时观察样本的反应。在这方面，已经深入探讨了完全控制周围环境的可能性。到目前为止，最需要解决的参数是pH，因此许多微流控应用都致力于实现这一目标。最常见的技术是在微流控设备中实现固态传感器，例如电解质绝缘体半导体（EIS）或离子选择场效应晶体管（ISFET），以进行pH水平的实时和高精度测量。此外，还可以对阀门和储液器实施系统，以根据培养室中发生的环境变化来调节pH水平。 给药 微流控应用于当今药物开发的主要挑战之一是减少所谓的“药物路径”，即从给药点到反应区域的距离。事实上，在过去的几年里，药物发现取得了重大进展，每年都会发现新的、更有效的化合物。 微流控技术可以帮助药物行业开发和管理药物。事实上，芯片实验室的新设计正在为研究人员提供药物合成和传送的新平台。此外，微流控还具有用于给药的设备，这些设备便宜，对用户友好且没有副作用。 梯度生成 微流控应用化学梯度在许多生物过程中起着关键作用，并在体内调节许多细胞功能。因此，很明显，在体外重现这些条件在生命科学相关研究中至关重要。在这方面，微流控可以提供在空间和时间上重建甚至控制这些梯度的工具。在微流控中形成梯度的最常见方法是利用相邻流动蒸汽之间的扩散混合。这是可能的，因为如前所述，由于通道的微观尺寸，微流控流是层流的，因此扩散是唯一可能的混合机制。尽管很简单，但通过扩散混合产生梯度确实有一些缺点。其中，最令人担忧的是混合产生的潜在对流。研究人员已经使用了几种方法来克服这个问题，例如称为“对流单元”的特设微通道。 检验 微流控应用微流控真正可以改进的领域之一是检验（POC）。这个名称定义了在患者临床上进行的医学分析，事实上，POC也被称为“床侧测试”。微流控设备，特别是聚合物或纸基设备，具有一次性和廉价等特点，这是该领域的先决条件。事实上，微流控在POC中的应用已经用于妊娠测试、HIV诊断、葡萄糖生物传感器和药物滥用筛查，即使这种设备仍然缺乏广泛的应用。 然而，微流控的使用具有几个优点，例如快速性、吞吐量和最小的样品消耗，这在POC应用中是至关重要的。此外，基于微流控的POC设备易于处理和制造，因此其应用在发展中国家特别有前景，因为发展中国家非常需要有效且廉价的医疗工具。 细胞分析 微流控应用微流控得到热烈响应的另一个领域是细胞分析。事实上，在同一个小型化设备中，拥有细胞培养、分选和裂解模块确实很有吸引力，因此许多研究人员正在朝着这个方向努力。基于微流控的装置被广泛应用于细胞分析中，其中需要精确的流动控制。此外，微流控装置的应用允许提高灵敏度，因为整个测量系统的尺寸大大减小，与单个细胞的尺寸相当。微流控应用可以在细胞生物传感器中找到，即利用不同刺激下的细胞生理反应的传感器，例如毒素反馈。最后，微流控系统允许以高精度重建体外细胞-细胞、细胞-基质和细胞-培养基的相互作用。 结论 微流控是一个发展迅速的领域，事实上，自其诞生以来，微流控在生命科学中的应用变得越来越重要。这一成功的原因是微米级流体具有独特的化学和物理特征，与传统的“宏观”技术相比，这些特征具有很多优势。此外，微流控装置通常易于使用和制造，而且成本很低。此外，在单个微流控芯片内，可以实现用于流量控制的许多功能和部件，例如泵和阀。 在这篇简短的文章中，概述了一些相关的微流控应用，以了解这项新科学如何帮助和推动生物学和医学等领域的研究。 |
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