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什(shí)麼是微流(liú)體？它(tā)的未(wèi)來是(shì)什麼？
微流(liú)體技(jì)術是指(zhǐ)在(zài)微觀尺(chǐ)寸下(xià)控製，操作和(hé)檢(jiǎn)測復雜流體的技(jì)術，是在微電(diàn)子，微機械，生物(wù)工程和納米(mǐ)技術(shù)基(jī)礎上發展起來的一門全新交(jiāo)叉學(xué)科(kē)。
在生物(wù)，化(huà)學(xué)，材料等(děng)科(kē)學實驗中，經常需要對(duì)流(liú)體進行(háng)操作(zuò)，如樣品(pǐn)DNA的製備，液(yè)相色譜，PCR反應，電(diàn)泳檢(jiǎn)測等(děng)操作(zuò)都(dū)是(shì)在液相環境中進(jìn)行(háng)。如(rú)果要將(jiāng)樣品製備，生(shēng)化(huà)反(fǎn)應，結果檢(jiǎn)測等步(bù)驟(zhòu)集成到(dào)生物(wù)芯(xīn)片(piàn)上(shàng)，則實驗所用流(liú)體(tǐ)的量(liáng)就從毫(háo)升，微升級(jí)降至(zhì)納升(shēng)或皮(pí)升級，這時(shí)功能(néng)*的微(wēi)流(liú)體裝置就顯得(dé)非常(cháng)重要了。因此隨(suí)著(zhuó)生物芯(xīn)片技術(shù)的發(fā)展，微(wēi)流體(tǐ)技(jì)術作為生(shēng)物(wù)芯(xīn)片的一項(xiàng)關鍵支(zhī)撐(chēng)技術(shù)也得(dé)到了(liǎo)人(rén)們(mén)越(yuè)來越(yuè)多(duō)的關注。
與微電子技術不同，微流(liú)體技術不強調(tiáo)減(jiǎn)小(xiǎo)器件的尺(chǐ)寸(cùn)，它著重於構建微流體通道(dào)係統來實現各種復(fù)雜(zá)的微流(liú)體操縱(zòng)功能。與宏觀(guān)流(liú)體(tǐ)係統(tǒng)類似，微流體(tǐ)係統(tǒng)所需的器件也(yě)包(bāo)括(kuò)泵，閥，混合(hé)器，過(guò)濾器，分離(lí)器等(děng)。盡管與微電(diàn)子(zǐ)器件(jiàn)相比(bǐ)，微通道的(dí)尺寸(cùn)顯(xiǎn)得(dé)相(xiāng)當大(dà)，但(dàn)實際(jì)上這(zhè)個尺寸對於流(liú)體而言已經(jīng)是非(fēi)常小。微(wēi)通(tōng)道(dào)中的流(liú)體(tǐ)流動(dòng)行為與人(rén)們在日(rì)常(cháng)生活(huó)中所(suǒ)見的宏觀流體流動行為(wéi)有著本質的(dí)差別(bié)，因此微泵，微閥，微(wēi)混(hùn)合(hé)器，微過濾器，微分離器等(děng)微型器件(jiàn)往(wǎng)往(wǎng)都(dū)與相應的(dí)宏觀器(qì)件(jiàn)差別甚(shèn)大(dà)。
為了精準設(shè)計微流體係(xì)統中所需(xū)的器(qì)件(jiàn)，首先要確定微通(tōng)道中流體的流動(dòng)性質(zhì)。人(rén)們利(lì)用(yòng)共(gòng)焦(jiāo)顯微鏡(jìng)成(chéng)像(xiàng)技(jì)術(shù)可以(yǐ)方(fāng)便地對微(wēi)通道中(zhōng)的流動過程進行(háng)量化，達到了(liǎo)以往無(wú)法(fǎ)實現的(dí)高(gāo)分(fēn)辨率(shuài)。first微流體器件由英國(guó)帝國(guó)理工(gōng)大學(xué)（Imperial College）的(dí)曼齊(qí)（A． Manz），美國橡樹(shù)嶺國家實驗室(shì)的拉(lā)姆(mǔ)齊(qí)（M． Ramsey）等(děng)科學家在(zài)1990年(nián)代(dài)初研(yán)製成功。該器件(jiàn)是利用常(cháng)規(guī)的平麵(miàn)加工(gōng)工(gōng)藝（光(guāng)刻(kè)，腐(fǔ)蝕等(děng)）在矽(guī)，玻(bō)璃(lí)上製作(zuò)的。盡(jìn)管這種(zhǒng)製(zhì)作(zuò)方法(fǎ)非(fēi)常(cháng)精(jīng)密，但成本(běn)高，且不(bù)靈活，無法(fǎ)適應(yīng)研發需求。懷特賽茲(zī)（G． M． Whitesides）等(děng)人又提(tí)出一種(zhǒng)“軟光刻”微(wēi)加工(gōng)方(fāng)法，即在(zài)有(yǒu)機材(cái)料上(shàng)印製，成型(xíng)出(chū)微結構，從而(ér)能方便地(dì)加工原型(xíng)器(qì)件和專用(yòng)器件(jiàn)。另外這個方法還能構建(jiàn)出(chū)三(sān)維(wéi)微通道(dào)結(jié)構，並能在更高(gāo)層(céng)次(cì)上(shàng)控(kòng)製(zhì)微(wēi)流(liú)體通(tōng)道(dào)表麵(miàn)的(dí)分子結(jié)構。
噴射(shè)是成熟的(dí)微(wēi)流體技術，它使用直(zhí)徑小於100微米的孔來產(chǎn)生(shēng)微(wēi)滴(dī)。這項(xiàng)技術(shù)可用於輸運(yùn)微反(fǎn)應(yīng)中的微(wēi)量(liáng)試(shì)劑，以(yǐ)及將微量(liáng)DNA樣品(pǐn)分發到載(zǎi)體(tǐ)表(biǎo)麵形成(chéng)微陣列。
微流體是(shì)什麼(mó)？
微流體(tǐ)係統(tǒng)是任何處理(lǐ)微量液(yè)體(tǐ)的設備。這些液體通過的通(tōng)道(dào)比(bǐ)頭發還(huán)要(yào)細(xì)，微(wēi)小(xiǎo)的閥門(mén)可以開(kāi)啟和關閉流(liú)量。這(zhè)些通道(dào)通常由(yóu)玻(bō)璃，聚合(hé)物，紙或(huò)凝膠等材料製成(chéng)。
要想使(shǐ)流(liú)體(tǐ)移動，一種方法(fǎ)是使用機械泵；另(lìng)一種(zhǒng)方法是(shì)利用某些材料的表麵(miàn)電荷(hé)；當(dāng)然(rán)還有一種(zhǒng)方法使(shǐ)用(yòng)的是所謂(wèi)毛細管(guǎn)作用(yòng) —— 更(gēng)常(cháng)見(jiàn)的(dí)是芯吸作用(yòng)。芯(xīn)吸是儲(chǔ)存(cún)在液體中的(dí)能量推(tuī)動(dòng)液體(tǐ)通過狹窄空間(jiān)的過程(chéng)。
在(zài)微小(xiǎo)的尺度內(nèi)，流體(tǐ)的(dí)運(yùn)動(dòng)方式(shì)並(bìng)不直觀。 並不像(xiàng)我們常見的(dí)從(cóng)花(huā)園(yuán)水管(guǎn)或(huò)淋(lín)浴(yù)噴頭出來的湍(tuān)流，混亂(luàn)的(dí)水(shuǐ)流。 相反(fǎn)，在(zài)狹窄(zhǎi)的微通道(dào)容(róng)積中，流(liú)量異(yì)常穩(wěn)定。
流(liú)體(tǐ)會以(yǐ)有組織的平行(háng)流(liú)沿(yán)通道向下移動(dòng) —— 稱(chēng)為層流。層(céng)流是(shì)微(wēi)流體係統中(zhōng)的(dí)一大奇(qí)觀。層流(liú)中的(dí)流體和顆粒會遵循數學(xué)上可預測的(dí)路(lù)徑(jìng)流動，這是精密(mì)工程和醫(yī)療設備設計(jì)的條(tiáo)件。
這些對(duì)研(yán)究人(rén)員(yuán)具(jù)有(yǒu)啟(qǐ)發(fā)意義的過(guò)程，在(zài)自(zì)然界(jiè)中存在(zài)了千百萬年(nián)。植(zhí)物利(lì)用毛細作用(yòng)將營養物(wù)質(zhì)從(cóng)根部輸(shū)送到高(gāo)的樹(shù)枝上(shàng)，這就(jiù)是(shì)自(zì)動供電的(dí)微(wēi)流體(tǐ)電路(lù)的(dí)靈感來(lái)源。
化學(xué)家(jiā)們模(mó)仿雨(yǔ)滴的物(wù)理(lǐ)特性，設(shè)計(jì)了一(yī)種(zhǒng)設備(bèi)，將樣本分(fēn)解成數(shù)百(bǎi)萬(wàn)個(gè)液(yè)滴(dī)，並(bìng)以令人(rén)眼(yǎn)花繚亂的速(sù)度(dù)對(duì)其進(jìn)行分(fēn)析。每個(gè)液滴(dī)本(běn)質上都(dū)是一(yī)個微(wēi)型的化(huà)學實驗室(shì)，化學(xué)家(jiā)們可以(yǐ)研究(jiū)生物分子(zǐ)的(dí)進化，並進(jìn)行超(chāo)快(kuài)的(dí)遺(yí)傳(chuán)分析(xī)等等(děng)。
就連(lián)人(rén)體的每(měi)個(gè)角(jiǎo)落都是微流(liú)體(tǐ)的。如果(guǒ)沒有復雜的毛(máo)細/血管(guǎn)為(wéi)每個細(xì)胞(bāo)輸送食物，氧氣和(hé)信號(hào)分(fēn)子，我(wǒ)們(mén)就不可能出生(shēng)或正常生活(huó)。
微(wēi)型(xíng)科(kē)技的(dí)好處(chǔ)
就像(xiàng)微電(diàn)子(zǐ)學(xué)一樣(yàng)，尺(chǐ)寸是微流(liú)體的(dí)關(guān)鍵。
隨著元(yuán)件(jiàn)變得(dé)越來越小(xiǎo)，設備可(kě)以在很小(xiǎo)的(dí)尺度(dù)上依賴(lài)於液體(tǐ)的(dí)奇(qí)怪(guài)特(tè)性(xìng)，可(kě)以(yǐ)更(gēng)快，更有(yǒu)效地操作，而且製(zhì)造成(chéng)本更(gēng)低(dī)。現(xiàn)在，微流體(tǐ)已(yǐ)經悄(qiǎo)悄(qiǎo)地(dì)搭上了(liǎo)電子(zǐ)產(chǎn)品的順風(fēng)車。
微流體裝置(zhì)的(dí)另(lìng)一個主(zhǔ)要(yào)優點是，它們(mén)隻需要非常少量的(dí)液體(tǐ)，因此尺寸(cùn)可(kě)以(yǐ)很(hěn)小。
技(jì)術(shù)，生物和(hé)醫學中(zhōng)的(dí)微流體學(xué)
實(shí)際上(shàng)，你(nǐ)在生(shēng)活中會經常(cháng)使用(yòng)微(wēi)流體。噴(pēn)墨打印(yìn)機能噴出微(wēi)小(xiǎo)的墨滴；3D打印機通(tōng)過微(wēi)流(liú)體(tǐ)噴嘴(zuǐ)擠(jǐ)出(chū)熔(róng)融(róng)聚合(hé)物；鋼筆和圓珠(zhū)筆中的墨(mò)水是通(tōng)過(guò)微流體原(yuán)理流動的；哮/喘(chuǎn)患者(zhě)的噴霧(wù)器可(kě)以(yǐ)噴(pēn)射(shè)出微小的(dí)藥液滴；懷孕(yùn)測試依賴(lài)於(yú)尿(niào)液(yè)在微(wēi)流(liú)體紙條中的流(liú)動(dòng)。
在(zài)科(kē)學研究中(zhōng)，微流(liú)體(tǐ)可以將藥，營養(yǎng)物或(huò)任何(hé)液體引(yǐn)導(dǎo)到生物體(tǐ)的(dí)特定(dìng)部(bù)分(fēn)，以更(gēng)精準地模(mó)擬生(shēng)物過(guò)程。
例(lì)如，研(yán)究人員(yuán)將蠕(rú)蟲(chóng)困在通道中，用(yòng)氣(qì)味刺激它們(mén)來(lái)了解神(shén)經(jīng)回(huí)路。另(lìng)一個研究小組將營養物(wù)質導(dǎo)向植(zhí)物(wù)根(gēn)部(bù)的特定區(qū)域(yù)，觀察對(duì)生長(cháng)化學物(wù)質的(dí)不同反應。其(qí)他(tā)研(yán)究小組設計了微(wēi)流(liú)體陷(xiàn)阱，從血(xiě)液中(zhōng)物(wù)理捕獲罕見(jiàn)的(dí)腫瘤細胞(bāo)。
大(dà)量(liáng)的微流(liú)體遺傳(chuán)芯(xīn)片(piàn)提供(gōng)了對人類(lèi)基因組進(jìn)行快(kuài)速(sù)測(cè)序(xù)的(dí)能力(lì)，並(bìng)使諸如(rú)23andMe之(zhī)類的(dí)個性化(huà)DNA測(cè)試(shì)成為(wéi)現實(shí)。 沒有(yǒu)微流體，這是(shì)不(bù)可能(néng)的。
微流體的未來
微(wēi)流體(tǐ)技術將(jiāng)是引導(dǎo)醫學進(jìn)入一個新的(dí)，快節(jié)奏的，負(fù)擔(dān)得起的時代的關鍵。用於運(yùn)動監測的(dí)可(kě)穿戴(dài)設備，以及將抗(kàng)/癌藥(yào)局部傳遞到患者腫(zhǒng)瘤(liú)上(shàng)的可(kě)植入(rù)設(shè)備，是(shì)生(shēng)物醫(yī)學微流(liú)體(tǐ)的下一(yī)個前沿領域。
研究人員正(zhèng)在開發(fā)一種名(míng)為(wéi)“芯(xīn)片上的器官”的(dí)復(fù)雜(zá)而迷(mí)人的微(wēi)流(liú)體係統，旨(zhǐ)在模擬(nǐ)人(rén)體生(shēng)理(lǐ)的各個方麵。
在各地的實驗(yàn)室(shì)裏，研(yán)究(jiū)團隊都正在開(kāi)發芯(xīn)片(piàn)上(shàng)的腫(zhǒng)瘤平(píng)台，以(yǐ)更有效(xiào)地測(cè)試(shì)抗/癌(ái)藥。這些病(bìng)人的(dí)化(huà)身，將使(shǐ)科學(xué)家能(néng)夠(gòu)以一種不(bù)涉及與(yǔ)動物(wù)或(huò)人類(lèi)試(shì)驗相(xiāng)關的成本，痛苦(kǔ)和倫理問題的方(fāng)式(shì)測(cè)試新的(dí)治/療(liáo)方法。
在實(shí)驗(yàn)室(shì)裏(lǐ)，我們首先(xiān)將(jiāng)癌症(zhèng)患者(zhě)的腫(zhǒng)瘤活檢解剖成數(shù)千個顯微的(dí)規則片段，然後讓它們(mén)存活下來。由(yóu)於它(tā)們的體(tǐ)積(jī)很小(xiǎo)，我們(mén)可以(yǐ)使用微流(liú)體將微(wēi)小的腫(zhǒng)瘤碎片(piàn)捕(bǔ)獲到(dào)多個(gè)孔中(zhōng)，每種(zhǒng)藥一(yī)個孔(kǒng)。
這些樣本保(bǎo)留(liú)了腫(zhǒng)瘤(liú)的(dí)適當細胞環(huán)境(jìng)，這將使(shǐ)我們能夠更準確地(dì)預(yù)測藥(yào)對(duì)特定人的作用(yòng)方(fāng)式。
大(dà)膽(dǎn)的想象一下，你去看醫生，把(bǎ)活(huó)檢取(qǔ)出來，在(zài)不(bù)到一(yī)周(zhōu)的時(shí)間裏(lǐ)，通過(guò)使(shǐ)用我們(mén)的微流體設(shè)備，醫生就能找出(chū)哪種雞(jī)尾(wěi)酒藥適(shì)合切除你的腫瘤(liú)。
雖然，這仍(réng)是未來(lái)的事(shì)，但(dàn)我(wǒ)們知(zhī)道(dào)的(dí)是(shì)，未(wèi)來(lái)將(jiāng)是微流體(tǐ)技術的。
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