當(dāng)你想到微或納米技術(shù)時(shí)，你可能會(huì)想到小型電子產(chǎn)品，如手機(jī)、微型機(jī)器人或微芯片。但COVID-19檢測(cè)——已被證明對(duì)控制大流行至關(guān)重要——也是一種小型化技術(shù)。許多COVID-19檢測(cè)可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)得出結(jié)果，而不需要將樣本送往實(shí)驗(yàn)室，大多數(shù)這些檢測(cè)使用一種稱(chēng)為微流控的方法。

從妊娠檢測(cè)到葡萄糖試紙，從噴墨打印機(jī)到基因檢測(cè)，一切都依賴于微流控。很多人都不知道這項(xiàng)技術(shù)，它無(wú)處不在，對(duì)現(xiàn)代世界運(yùn)轉(zhuǎn)的許多事物至關(guān)重要。

什么是微流控?

微流控系統(tǒng)是處理微量液體的任何設(shè)備。液體通過(guò)比頭發(fā)還細(xì)的通道流動(dòng)，微小的閥門(mén)可以控制流體的流動(dòng)。這些通道由玻璃、聚合物、紙或凝膠等材料制成。移動(dòng)液體的一種方法是使用機(jī)械泵;另一種方法是利用某些材料的表面電荷;還有一種方法是使用所謂的毛細(xì)管作用——更常見(jiàn)的說(shuō)法是吸干。吸液是液體中儲(chǔ)存的能量推動(dòng)液體通過(guò)狹窄空間的過(guò)程。

彩色液體從左下方進(jìn)入，但由于層流，即使它們通過(guò)一個(gè)單一通道并從右上方流出，也保持相對(duì)未混合。

在小尺度下，流體的行為是不直觀的。不要想象從花園水管或你的蓮蓬頭流出的洶涌、混亂的水流。相反，在微通道狹窄的體積中，流動(dòng)異常穩(wěn)定。流體沿著通道以有組織的平行流流動(dòng)，稱(chēng)為層流。層流是微流體系統(tǒng)的一大奇跡。層流中的流體和粒子遵循數(shù)學(xué)上可預(yù)測(cè)的路徑——這是精密工程和醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)的必要條件。

這些過(guò)程對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)是鼓舞人心的，它們?cè)谧匀唤缰幸呀?jīng)存在了億萬(wàn)年。植物利用毛細(xì)作用將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從根部輸送到最高的枝干，這是自主供電的微流體電路的靈感來(lái)源。化學(xué)家們模仿雨滴的物理特性，設(shè)計(jì)了一種裝置，可以將樣品分解成數(shù)百萬(wàn)個(gè)液滴，并以令人目眩的速度分析它們。每個(gè)液滴本質(zhì)上都是一個(gè)微小的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)家可以在這里研究生物分子的進(jìn)化，進(jìn)行超高速的基因分析等。

最后，人體的每個(gè)角落都是微流體。如果沒(méi)有復(fù)雜的毛細(xì)血管將食物、氧氣和信號(hào)分子輸送到每個(gè)細(xì)胞，我們就無(wú)法出生或正常工作。

微型科技的好處

就像微電子學(xué)一樣，尺寸是微流控的關(guān)鍵。隨著部件越來(lái)越小，設(shè)備可以依靠液體在微小尺度下的奇特特性，運(yùn)行速度更快、效率更高，制造成本也更低。微流控革命一直在默默地與電子流體革命相結(jié)合。

微流控裝置的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，它們只需要非常少量的液體，因此體積可以非常小。長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)宇航局一直在考慮為其火星探測(cè)器配備微流體分析儀。珍貴液體(如人血)的分析也得益于使用小樣本的能力。例如，血糖儀是一種微流體儀器，只需要一滴血就可以測(cè)量糖尿病患者的血糖。

葡萄糖試紙是一種微流控設(shè)備，只需要極少量的血液就能測(cè)量血糖。

技術(shù)、生物和醫(yī)學(xué)中的微流體學(xué)

你很有可能在生活中經(jīng)常使用微流體。噴墨打印機(jī)會(huì)噴出微小的墨滴。3D打印機(jī)通過(guò)微流控噴嘴擠出熔融的聚合物。自來(lái)水筆和圓珠筆中的墨水通過(guò)微流體原理流動(dòng)。哮喘患者用的噴霧器噴灑的是微小的藥滴。懷孕測(cè)試依賴于微流控紙條中的尿流。在科學(xué)研究中，微流體可以將藥物、營(yíng)養(yǎng)素或任何液體引導(dǎo)到生物體的非常特定的部分，以更精確地模擬生物過(guò)程。

一個(gè)微通道里有三個(gè)微閥。通向橙色通道的第一個(gè)和第三個(gè)閥門(mén)被關(guān)閉了。中間的閥門(mén)是打開(kāi)的。

例如，研究人員將蠕蟲(chóng)困在通道中，用氣味刺激它們，以了解神經(jīng)回路。另一個(gè)研究小組將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)定向到植物根部的特定區(qū)域，以觀察對(duì)生長(zhǎng)化學(xué)物質(zhì)的不同反應(yīng)。其他研究小組設(shè)計(jì)了微流體陷阱，從血液中物理捕獲罕見(jiàn)的腫瘤細(xì)胞。大量的微流控基因芯片提供了快速對(duì)人類(lèi)基因組進(jìn)行測(cè)序的能力，并使23andMe等個(gè)性化DNA測(cè)試成為現(xiàn)實(shí)。如果沒(méi)有微流控系統(tǒng)，這一切都不可能實(shí)現(xiàn)。

這種設(shè)備是“腫瘤芯片”，每一個(gè)孔都含有不同的藥物，這些藥物被泵入腫瘤樣本放置的中心。

微流控技術(shù)的未來(lái)

微流控將是引領(lǐng)醫(yī)學(xué)進(jìn)入一個(gè)新的、快節(jié)奏的、負(fù)擔(dān)得起的時(shí)代的關(guān)鍵。可穿戴設(shè)備可以測(cè)量汗液中的物質(zhì)，用于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，可植入設(shè)備可以局部將癌癥藥物輸送到患者的腫瘤，這些都是生物醫(yī)學(xué)微流體的下一個(gè)前沿領(lǐng)域。

研究人員正在開(kāi)發(fā)復(fù)雜而迷人的微流控系統(tǒng)，稱(chēng)為芯片上的器官，旨在模擬人類(lèi)生理的各個(gè)方面。在我自己的實(shí)驗(yàn)室和世界各地的其他實(shí)驗(yàn)室中，團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)芯片腫瘤平臺(tái)，以更有效地測(cè)試癌癥藥物。這些病人化身將使科學(xué)家能夠以一種不需要在動(dòng)物或人類(lèi)身上進(jìn)行試驗(yàn)的成本、痛苦和倫理問(wèn)題的方式測(cè)試新的治療方法。在我的實(shí)驗(yàn)室里，我們首先將癌癥患者的腫瘤活組織切片分解成數(shù)千個(gè)顯微鏡下的常規(guī)切片，讓它們存活下來(lái)。由于其體積小，我們可以使用微流體將微小的腫瘤碎片困在多個(gè)井中，每種藥物一個(gè)井。這些樣本保留了腫瘤的適當(dāng)細(xì)胞環(huán)境，這將使我們能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)藥物對(duì)特定人群的作用。

想象一下，去看醫(yī)生，取出一個(gè)活組織切片，在不到一周的時(shí)間里，通過(guò)使用我們的微流體設(shè)備，醫(yī)生就能找出哪種雞尾酒藥物對(duì)移除你的腫瘤最有效。這仍未實(shí)現(xiàn)的事，但我們知道的是，未來(lái)將是微流控的時(shí)代。