微流控技術(shù)的進(jìn)步使生命科學(xué)中的許多發(fā)現(xiàn)和技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。然而，由于缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和可配置性，微流控器件的設(shè)計(jì)和制造需要高度熟練的技術(shù)人員。微流控器件的多樣性阻礙了生物學(xué)家和化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用這一技術(shù)。模塊化微流控系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)化的模塊集成到一個(gè)完整、復(fù)雜的平臺(tái)中，為傳統(tǒng)微流控系統(tǒng)提供了可配置的能力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，深圳大學(xué)高等研究院閆昇研究員團(tuán)隊(duì)回顧了最前沿的模塊化微流控系統(tǒng)研究成果，并對(duì)其未來前景進(jìn)行了討論。該綜述首先介紹了基本微流控模塊的工作機(jī)制，并評(píng)估了它們作為模塊化微流控組件的可行性。接下來，介紹了這些微流控模塊之間的連接方法并評(píng)估了這些連接方式的特點(diǎn)。隨后，介紹了模塊化微流控系統(tǒng)在生物領(lǐng)域的應(yīng)用（如圖1）。最后，討論了模塊化微流控系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和未來前景。

圖1 模塊化微流控系統(tǒng)概述

微流控模塊

模塊是模塊化微流控系統(tǒng)中具有完整功能的組件。該綜述總結(jié)了主要功能模塊的基本原理，包括微閥（如圖2）、微泵、微混合器、分離器、液滴發(fā)生器、梯度發(fā)生器、捕獲器和細(xì)胞培養(yǎng)模塊，并分析了它們作為模塊化微流控組件的可行性。

圖2 不同微閥的示意圖：（a）熱氣動(dòng)微型閥；（b）靜電式微閥；（c）壓電式微閥；（d）電磁式微閥；（e）水凝膠微閥；（f）止回閥

微流控模塊的連接方式

為了形成完整的微流控系統(tǒng)，需要連接每個(gè)單獨(dú)的微流控模塊。模塊的連接需要防止液體泄漏，并確保整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。到目前為止，微流控模塊的連接包括LEGO連接、管道連接、魯爾連接、O形環(huán)/墊圈連接、等離子體連接和粘附連接（圖3）。該綜述評(píng)估了不同連接方法的重復(fù)性、連接強(qiáng)度、制造復(fù)雜性、組裝復(fù)雜性和生物相容性（圖4）。

圖3 不同連接方式示意圖：（a）LEGO連接；（b）管道連接；（c）魯爾連接；（d）O形圈/墊圈連接；（e）等離子體連接；（f）粘附連接

圖4 不同連接方法的重復(fù)性、連接強(qiáng)度、制造復(fù)雜性、組裝復(fù)雜性和生物相容性的比較 模塊化微流控系統(tǒng)在生物領(lǐng)域的應(yīng)用

微流控器件由于其試劑消耗量小、表面積大、體積小等優(yōu)點(diǎn)而被用于生物醫(yī)學(xué)研究。模塊化微流控技術(shù)進(jìn)一步降低了微流控的使用門檻，并為沒有微流控專業(yè)知識(shí)的終端用戶提供了靈活和可定制的系統(tǒng)。在此，詳細(xì)介紹了模塊化微流控技術(shù)在生命科學(xué)中的一些典型應(yīng)用，包括癌癥細(xì)胞分離、聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）、器官芯片、生物標(biāo)記物研究和顆粒合成。

目前，模塊化微流控系統(tǒng)推廣的主要挑戰(zhàn)在于模塊化微流控系統(tǒng)需要解決模塊到模塊的標(biāo)準(zhǔn)化連接以及標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議問題。此外，用于制造模塊的材料也會(huì)限制模塊化微流控技術(shù)的應(yīng)用。同時(shí)，作者還展望了模塊化微流控的幾個(gè)發(fā)展方向，包括：人工智能（AI）指導(dǎo)微流控模塊構(gòu)建方案和自動(dòng)控制微流控系統(tǒng)中的執(zhí)行器；利用先進(jìn)材料的自愈性和自粘附性，為微流控的模塊提供了一種新的連接方法；發(fā)展可編程微流控，提高微流控系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和自定義性（如圖5）。

圖5 模塊化微流體的前景：（a）AI輔助模塊選擇和決策；（b）自愈連接方法；（c）集成式微流控、模塊化微流控和可編程微流控的概念

該論文近期以“Modular microfluidics for life sciences”為題發(fā)表于Journal of Nanobiotechnology期刊。深圳大學(xué)納米光子學(xué)研究中心方暉教授和碩士生吳佳霖為論文共同第一作者，閆昇研究員為通訊作者，深圳大學(xué)高等研究院為第一單位。該工作還得到格里菲斯大學(xué)張俊博士的支持。該成果得到廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金委，以及深圳市科創(chuàng)委項(xiàng)目的支持。

論文鏈接： https://doi.org/10.1186/s12951-023-01846-x

審核編輯 ：李倩