當你想到微或納米技術時，你可能會想到小型電子產品，如手機、微型機器人或微芯片。但COVID-19檢測——已被證明對控制大流行至關重要——也是一種小型化技術。許多COVID-19檢測可以在數(shù)小時內得出結果，而不需要將樣本送往實驗室，大多數(shù)這些檢測使用一種稱為微流控的方法。

從妊娠檢測到葡萄糖試紙，從噴墨打印機到基因檢測，一切都依賴于微流控。很多人都不知道這項技術，它無處不在，對現(xiàn)代世界運轉的許多事物至關重要。

什么是微流控?

微流控系統(tǒng)是處理微量液體的任何設備。液體通過比頭發(fā)還細的通道流動，微小的閥門可以控制流體的流動。這些通道由玻璃、聚合物、紙或凝膠等材料制成。移動液體的一種方法是使用機械泵;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管作用——更常見的說法是吸干。吸液是液體中儲存的能量推動液體通過狹窄空間的過程。

彩色液體從左下方進入，但由于層流，即使它們通過一個單一通道并從右上方流出，也保持相對未混合。

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，流動異常穩(wěn)定。流體沿著通道以有組織的平行流流動，稱為層流。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)學上可預測的路徑——這是精密工程和醫(yī)療設備設計的必要條件。

這些過程對研究人員來說是鼓舞人心的，它們在自然界中已經(jīng)存在了億萬年。植物利用毛細作用將營養(yǎng)物質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源。化學家們模仿雨滴的物理特性，設計了一種裝置，可以將樣品分解成數(shù)百萬個液滴，并以令人目眩的速度分析它們。每個液滴本質上都是一個微小的化學實驗室，化學家可以在這里研究生物分子的進化，進行超高速的基因分析等。

最后，人體的每個角落都是微流體。如果沒有復雜的毛細血管將食物、氧氣和信號分子輸送到每個細胞，我們就無法出生或正常工作。

微型科技的好處

就像微電子學一樣，尺寸是微流控的關鍵。隨著部件越來越小，設備可以依靠液體在微小尺度下的奇特特性，運行速度更快、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合。

微流控裝置的另一個主要優(yōu)點是，它們只需要非常少量的液體，因此體積可以非常小。長期以來，美國宇航局一直在考慮為其火星探測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量糖尿病患者的血糖。

葡萄糖試紙是一種微流控設備，只需要極少量的血液就能測量血糖。

技術、生物和醫(yī)學中的微流體學

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

一個微通道里有三個微閥。通向橙色通道的第一個和第三個閥門被關閉了。中間的閥門是打開的。

例如，研究人員將蠕蟲困在通道中，用氣味刺激它們，以了解神經(jīng)回路。另一個研究小組將營養(yǎng)物質定向到植物根部的特定區(qū)域，以觀察對生長化學物質的不同反應。其他研究小組設計了微流體陷阱，從血液中物理捕獲罕見的腫瘤細胞。大量的微流控基因芯片提供了快速對人類基因組進行測序的能力，并使23andMe等個性化DNA測試成為現(xiàn)實。如果沒有微流控系統(tǒng)，這一切都不可能實現(xiàn)。

這種設備是“腫瘤芯片”，每一個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。

微流控技術的未來

微流控將是引領醫(yī)學進入一個新的、快節(jié)奏的、負擔得起的時代的關鍵。可穿戴設備可以測量汗液中的物質，用于運動監(jiān)測，可植入設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)學微流體的下一個前沿領域。

研究人員正在開發(fā)復雜而迷人的微流控系統(tǒng)，稱為芯片上的器官，旨在模擬人類生理的各個方面。在我自己的實驗室和世界各地的其他實驗室中，團隊正在開發(fā)芯片腫瘤平臺，以更有效地測試癌癥藥物。這些病人化身將使科學家能夠以一種不需要在動物或人類身上進行試驗的成本、痛苦和倫理問題的方式測試新的治療方法。在我的實驗室里，我們首先將癌癥患者的腫瘤活組織切片分解成數(shù)千個顯微鏡下的常規(guī)切片，讓它們存活下來。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井中，每種藥物一個井。這些樣本保留了腫瘤的適當細胞環(huán)境，這將使我們能夠更準確地預測藥物對特定人群的作用。

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