微流體是控制極小體積流體的科學(xué)和工程，通常在微升到皮升的范圍內(nèi)。流體通常保存在尺寸范圍為 1 到 500 μm 的通道網(wǎng)絡(luò)中，包含在所謂的微流體裝置中。微流體組件或儀器，例如泵，通過入口和出口將流體輸送到設(shè)備中。

在如此小的尺寸下，流體表現(xiàn)出與我們熟悉的完全不同的行為，毛細(xì)作用可以支配它們的運(yùn)動(dòng)。允許流體通過微通道網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)，該網(wǎng)絡(luò)通常包括通道、腔室、儲(chǔ)存器和附加特征，例如測(cè)量、傳感和驅(qū)動(dòng)組件。微通道的尺寸和幾何形狀取決于所需的功能和應(yīng)用，其中可能包括混合、分離、過濾、檢測(cè)、加熱和液滴生成。

微流體是一個(gè)廣泛的領(lǐng)域，在以下領(lǐng)域有許多不同的應(yīng)用：

分子和細(xì)胞生物學(xué)研究?

遺傳學(xué)?

流體動(dòng)力學(xué)?

微混合或分離

診斷

組織工程?

藥物輸送?

生育力測(cè)試和協(xié)助?

環(huán)境分析

化學(xué)物質(zhì)或蛋白質(zhì)的合成

許多這些應(yīng)用需要特定的制造技術(shù)和材料特性。在大多數(shù)情況下，微流控設(shè)備還需要在制造后進(jìn)行修改，例如在表面上進(jìn)行處理或涂層。這可以增加它們對(duì)水的排斥或吸引（稱為疏水性或親水性）。這些修改還可以包括在設(shè)備中集成試劑或特定分子或細(xì)胞，以及包含電極、磁體或光學(xué)組件。微流體裝置通常需要在制造后組裝到主要由塑料制成的支架或藥筒中。

生物技術(shù)中的微流體

微流體是一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域，需要化學(xué)家、物理學(xué)家、生物技術(shù)專家、醫(yī)生和不同工程學(xué)科之間的合作。這可以包括從想法的概念化和開發(fā)到微流體設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試的所有內(nèi)容。

生物技術(shù)是在商業(yè)上使用最多微流體設(shè)備的部門。在這一領(lǐng)域，生命科學(xué)和生物技術(shù)公司需要在其產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)和商業(yè)化的整個(gè)過程中與半導(dǎo)體材料供應(yīng)商和微加工代工廠合作。

微流控設(shè)備正越來越多地用于生物應(yīng)用，因?yàn)榕c傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)相比，可以直接在使用點(diǎn)以更低的成本和更快的速度進(jìn)行精確和受控的實(shí)驗(yàn)，并且具有更高的吞吐量。此外，在微流體中，我們可以更好地模擬生物體內(nèi)發(fā)生的事情，并且比傳統(tǒng)的分析方法更精確地控制流體的流動(dòng)、混合、壓力和環(huán)境。

微流體裝置有多種優(yōu)點(diǎn)。它們的小尺寸可以降低設(shè)備中使用的生產(chǎn)和材料成本。此外，用于實(shí)現(xiàn)相同結(jié)果的少量試劑大大降低了運(yùn)營(yíng)成本，而相同數(shù)量的細(xì)胞和樣本可以實(shí)現(xiàn)更多的測(cè)試重復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)更精確的診斷。運(yùn)行分析程序所需的功耗也降低了。此外，微流控設(shè)備更適合在發(fā)展中國(guó)家等偏遠(yuǎn)地區(qū)使用，在這些地區(qū)，傳染病的傳播是一個(gè)問題，而且臨床實(shí)驗(yàn)室或測(cè)試設(shè)備的使用受限。

總而言之，使用微流控設(shè)備的一些優(yōu)點(diǎn)是：?

減少樣品、試劑和廢物的體積?

降低測(cè)試和程序成本?

更快的結(jié)果

提高自動(dòng)化和便攜性?

更精確的定量結(jié)果和實(shí)時(shí)監(jiān)控

材料

在微觀尺度上，總表面積與體積之比大大增加，因此構(gòu)建這些器件的材料的特性遠(yuǎn)比宏觀尺度重要。因此，必須更加關(guān)注所選材料及其表面特性。

最常用于構(gòu)建微流體裝置的材料是玻璃、硅和聚合物，每種材料都有其特定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。材料的選擇主要應(yīng)基于其特性、與血液或治療的相容性以及預(yù)期應(yīng)用的要求。隨后，需要根據(jù)制造選項(xiàng)及其各自的成本對(duì)材料進(jìn)行評(píng)估。

應(yīng)針對(duì)每個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品開發(fā)階段評(píng)估材料的選擇，知道在原型制作期間選擇的選項(xiàng)可能無法擴(kuò)展到以后的大批量制造，因此隨后可能需要不同的制造選項(xiàng)。例如，在開發(fā)和原型制作階段，設(shè)備的性能可能會(huì)因易于制造而受到影響，而在生產(chǎn)階段，性能可靠性和成本是最重要的因素。

硅是用于微流體應(yīng)用的最常見材料，因?yàn)樗哂斜娝苤奶匦院椭圃旒夹g(shù)。硅的一些對(duì)微流控裝置有吸引力的特性是對(duì)有機(jī)溶劑的優(yōu)異耐受性、高導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性、剛性和易于金屬沉積。硅非常好理解，因?yàn)樗纳a(chǎn)和操作過程改編自 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）和半導(dǎo)體行業(yè)。

然而，使用硅是昂貴的，并且需要配備專門設(shè)備和訓(xùn)練有素的人員的潔凈室設(shè)施。此外，硅是不透明的，這限制了它在需要用于成像或熒光檢測(cè)的設(shè)備的透明度的應(yīng)用中的使用。當(dāng)需要將閥門和泵等有源組件集成到設(shè)備中時(shí)，它的剛性也可能是一個(gè)缺點(diǎn)。

玻璃具有許多與硅相同的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有透明性、生物相容性，并且分子的非特異性表面吸收率低。與硅一樣，除了潔凈室環(huán)境和高制造成本的要求外，集成附加組件的困難限制了玻璃在某些微流體應(yīng)用中的效用（Fiorini 和 Chiu，2005 年）。

玻璃和硅器件很容易金屬化，并且它們的表面可以被修改以防止分子的非特異性吸收并增加潤(rùn)濕性。它們非常適用于毛細(xì)管電泳 （CE）、有機(jī)合成、液滴形成、DNA 測(cè)序和 PCR 微流體應(yīng)用等（Ren 等人，2013 年）。

在過去的幾十年里，聚合物在微流體裝置中的應(yīng)用得到了發(fā)展，與硅和玻璃相比，聚合物已成為一種更具成本效益的材料。聚合物具有透明性、材料成本低和活性組件（如閥門或泵）集成更簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

有許多聚合物，每一種都具有不同的特性。它們可分為三大類：彈性體、熱塑性塑料和熱固性塑料。

彈性體，例如聚二甲基硅氧烷 （PDMS），因其易于制造、易于集成多層和活性成分以及令人滿意的光學(xué)透明度而被廣泛用于研究和快速原型制作。此外，由于其透氣性，PDMS 非常適合長(zhǎng)期細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用。然而，PDMS 與有機(jī)溶劑不相容，并允許在通道壁中吸收小的疏水性和生物分子。此外，PDMS 的低彈性模量有利于組件的集成，也使其容易發(fā)生通道和特征的變形和斷裂。

在制造方面，可以使用 MEMS 技術(shù)從單個(gè)硅或玻璃模具鑄造多個(gè) PDMS 器件。與硅和玻璃一樣，可以進(jìn)行表面改性以獲得特定的表面特性，例如不吸收分子和潤(rùn)濕性，盡管這些改性在 PDMS 中不那么耐用（Nge 等人，2013 年）。

聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等熱塑性聚合物是加熱到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T g）時(shí)可通過冷卻形成特定形狀的材料；如果需要，可以將它們重新加熱并重新成型。

不同的熱塑性聚合物具有不同的性能，但總的來說，它們都是透明的、便宜的（因此主要用作一次性裝置）、耐小分子滲透，并且比彈性體更堅(jiān)硬。

熱塑性芯片的一些制造技術(shù)包括微注射成型、熱壓印、壓印光刻、溶劑壓印，有時(shí)還有微加工等。除了機(jī)械加工之外，這些制造技術(shù)需要制造非常昂貴的模具，因此這些工藝更適合大批量生產(chǎn)而不是原型制作。

當(dāng)設(shè)備和應(yīng)用中需要高溫、有機(jī)溶劑或高縱橫比時(shí)，熱塑性塑料不適用。熱塑性聚合物的粘合很麻煩，因?yàn)樵诓ＡЩD(zhuǎn)變溫度 （T g ） 下粘合的熔融-熱粘合不如用于硅、玻璃和 PDMS 器件的其他粘合技術(shù)強(qiáng)，并且還會(huì)改變特性的微通道。

熱固性塑料也是透明的，但形狀不可逆。一些例子包括熱固性聚酯 （TPE） 和 SU-8 光刻膠和聚酰亞胺，它們通常用作負(fù)性光刻膠。與熱塑性塑料相比，熱固性塑料在有機(jī)溶劑和更高溫度下具有更好的穩(wěn)定性，但由于成本較高，它們并未廣泛用于微流體應(yīng)用。

表 1 總結(jié)了這些材料用于制造微流體裝置的最重要特性。為了最大限度地提高性能和潛在應(yīng)用，可以通過組合各種材料來設(shè)計(jì)混合微流體裝置。當(dāng)然，這應(yīng)該以第二材料不損害第一材料提供的優(yōu)點(diǎn)的方式進(jìn)行。

表 1.用于微流控裝置制造的材料特性總結(jié) （Ren et al.， 2013）

如前所述，應(yīng)根據(jù)每種應(yīng)用所需的表面和材料特性選擇材料，然后根據(jù)成本和制造選項(xiàng)進(jìn)行選擇。例如，盡管聚合物微流控器件在生產(chǎn)規(guī)模上的制造成本較低，但與硅或玻璃相比，聚合物器件無法支持所有應(yīng)用。在需要高溫和有機(jī)溶劑的應(yīng)用中，需要選擇硅或玻璃。此外，并非所有的結(jié)構(gòu)要求——例如高縱橫比特征、金屬圖案、高質(zhì)量和良好的尺寸控制——都適用于聚合物器件。

總之，決定使用哪種材料不僅取決于成本，還主要取決于每種應(yīng)用所需的特定屬性。然而，在評(píng)估材料時(shí)，還應(yīng)考慮制造的預(yù)期產(chǎn)量和生產(chǎn)規(guī)模選項(xiàng)，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響設(shè)計(jì)、成本和質(zhì)量。

審核編輯：郭婷