5.3. 開(kāi)放式微流控技術(shù)

微流控領(lǐng)域的另一個(gè)新興領(lǐng)域是開(kāi)放式微流控。最常見(jiàn)的配置是David Juncker等人開(kāi)發(fā)的微流控探頭(MFP)的形式。2005年。MFP同時(shí)注入和吸入處理液，在其孔之間產(chǎn)生不與周圍介質(zhì)對(duì)流混合的液體射流。這被稱為流體動(dòng)力受限流動(dòng)，允許試劑局限在樣品的一小塊區(qū)域，而不需要封閉的通道，這些通道容易堵塞，可能會(huì)引入氣泡，并具有高流體動(dòng)力阻力，從而降低設(shè)備的靈敏度。這還允許MFP在高空間分辨率的液體環(huán)境中進(jìn)行化學(xué)研究，從而允許在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行細(xì)胞研究。多功能一體機(jī)的設(shè)計(jì)和工作原理見(jiàn)圖8A。此外，MFP設(shè)置可以集成到標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡中，以允許對(duì)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。目前開(kāi)放的微流控技術(shù)是一個(gè)吸引人們極大興趣的領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)的例子包括單細(xì)胞分析(圖8B)、單細(xì)胞藥理學(xué)、免疫組織化學(xué)和生物圖案化，從而突出了它作為生命科學(xué)工具的靈活性。

圖8.微流控探頭示意圖(Aa)和照片(Ac)顯示流體吸入和吸入通道以及位于目標(biāo)底物上方的頂端。AB顯示了探頭的示意圖，該探頭具有在浸沒(méi)液體中產(chǎn)生流動(dòng)限制區(qū)域所需的典型流速和距離。。BA說(shuō)明了如何使用MFP從培養(yǎng)物中移除單個(gè)細(xì)胞，而B(niǎo)B、BC和Bd分別顯示了該過(guò)程的前、中和后圖像。BE以定義的圖案顯示使用MFP選擇性染色的細(xì)胞，插圖顯示相位對(duì)比度和熒光圖像的重疊

5.4. 器官芯片

也許目前發(fā)展最迅速、研究最深入的微流控領(lǐng)域是器官芯片，這些系統(tǒng)是微流控細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備，其中包含模擬器官組織的活細(xì)胞。與傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)相比，這種設(shè)備有許多潛在的好處。也就是說(shuō)，2D培養(yǎng)在空間組織方面不能準(zhǔn)確地代表體內(nèi)細(xì)胞的組織，因此不能期望準(zhǔn)確地模擬細(xì)胞的行為。此外，最近的三維培養(yǎng)技術(shù)缺乏對(duì)細(xì)胞反應(yīng)重要的機(jī)械線索，而且收集用于分析的生物材料可能會(huì)被證明是困難的。另一方面，芯片上的器官系統(tǒng)旨在包含定義大多數(shù)器官的許多功能。也就是說(shuō)，將細(xì)胞類型和持續(xù)的介質(zhì)灌流分開(kāi)的多孔膜--流體的持續(xù)流動(dòng)還提供了類似于血液流動(dòng)對(duì)細(xì)胞施加的力的剪切力，從而提供了更完整的器官行為模型。早期的研究集中于觀察具有一種細(xì)胞類型的單個(gè)灌注室，然而，隨著知識(shí)的進(jìn)步，由多種細(xì)胞類型組成的更復(fù)雜的系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以重建體內(nèi)細(xì)胞和組織之間的界面。將微流控和微制造與細(xì)胞培養(yǎng)相結(jié)合的能力還伴隨著大量的其他優(yōu)勢(shì)。微流體的物理學(xué)意味著研究人員可以更好地控制設(shè)備中的流體流動(dòng)。微通道中的層流已被用來(lái)在化學(xué)品中產(chǎn)生濃度梯度，以監(jiān)測(cè)細(xì)胞遷移等行為。此外，用于制造這些芯片的微制造方法意味著它們與傳感器兼容，這將允許更好地監(jiān)控培養(yǎng)物，并允許對(duì)細(xì)胞進(jìn)行更大程度的控制。這種制造方法還意味著有可能制造出提供類似于血管或肺中所見(jiàn)的周期性機(jī)械應(yīng)變的裝置。此外，電極可以被結(jié)合到設(shè)備中，以提供已用于腦組織研究的電場(chǎng)。此外，可以想象，從患者的細(xì)胞創(chuàng)建芯片上的器官系統(tǒng)是可能的，這將允許個(gè)性化藥物的開(kāi)發(fā)和測(cè)試。此外，芯片上的器官裝置可以串聯(lián)起來(lái)，生產(chǎn)芯片上的人系統(tǒng)，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)器官與器官的相互作用。Viravaidya和Shuler已經(jīng)朝著這個(gè)目標(biāo)邁出了一步，他們展示了一種設(shè)備，該設(shè)備具有用于肝臟、肺、脂肪和“其他組織”細(xì)胞的單獨(dú)腔室，以期更好地了解器官之間分子的生物積累。器官芯片系統(tǒng)的其他例子包括肌肉芯片、骨骼芯片、血管芯片、肺芯片(圖9A)、腸道芯片(圖9B)和心臟芯片。目前，器官芯片類型的設(shè)備不能完全復(fù)制更復(fù)雜的器官系統(tǒng)的真實(shí)功能，因此突出了需要做更多工作的必要性。目前器官芯片研究的缺陷包括使用PDMS，如前所述，它有可能吸附可能對(duì)培養(yǎng)產(chǎn)生影響的小分子。此外，目前的微制造技術(shù)需要大量的工程知識(shí)和設(shè)備，這使得許多研究人員無(wú)法掌握這項(xiàng)技術(shù)。然而，由于器官芯片的所有潛在好處，可以想象，在不太遙遠(yuǎn)的將來(lái)，這些設(shè)備可能會(huì)取代動(dòng)物測(cè)試，從而降低藥物試驗(yàn)的成本和時(shí)間要求。羅卡爾、普羅布斯特和洛斯基爾還假設(shè)，單個(gè)器官芯片可以結(jié)合在一起，創(chuàng)建更復(fù)雜、更靈活的器官系統(tǒng)模型。漢密爾頓和英格伯也用圖9C中所示的這個(gè)概念來(lái)假設(shè)芯片上的人系統(tǒng)。

圖9.在芯片上模擬肺功能的設(shè)備。AA.。PDMS微通道是在細(xì)胞外基質(zhì)涂層的PDMS膜(覆蓋著上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞)的兩側(cè)制造的，以模擬肺泡-毛細(xì)血管屏障。通過(guò)降低兩側(cè)通道中的壓力來(lái)施加機(jī)械應(yīng)力，以模擬呼吸周期中肺的變形。活體肺的這種物理變形顯示在Ab.。B-Gut-on-a-Chip設(shè)備。芯片內(nèi)部的照片(BA)和示意圖(BB)。BC顯示了在設(shè)備上培養(yǎng)的人類腸道上皮細(xì)胞的相位對(duì)比圖像，而(Bd)顯示了當(dāng)細(xì)胞被種到膜上時(shí)設(shè)備的滲透性是如何變化的。設(shè)備內(nèi)部形成的上皮細(xì)胞的共聚焦免疫熒光顯微圖像如BE所示。細(xì)胞核(藍(lán)色)和絨毛蛋白(黃色)染色。掃描電子顯微鏡(Bf)可見(jiàn)細(xì)胞表面微絨毛。C-片上人的概念。代表單個(gè)器官的芯片相互連接，以更好地模擬人體。我假設(shè)，這些設(shè)備系統(tǒng)可以用來(lái)更好地了解藥物的效果，而不需要昂貴的體內(nèi)研究。

5.5. 3D打印產(chǎn)生了影響

盡管3D打印是在20世紀(jì)80年代發(fā)明的，但直到20世紀(jì)末，3D打印才真正在微流體領(lǐng)域流行起來(lái)。也許商業(yè)上最成功的3D打印技術(shù)是熔融沉積成型。在這里，熱塑性塑料被加熱到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以上，并通過(guò)噴嘴以預(yù)定的圖案擠出到舞臺(tái)上。在每一層完成后，舞臺(tái)被下移，下一層被放置在頂部。這是許多商用3D打印機(jī)的操作方法。在研究環(huán)境方面，這項(xiàng)技術(shù)已被證明是制造交叉型鋰離子電池外殼的可行選擇，這些電池外殼可以輕松集成到MEMS中，同時(shí)足夠堅(jiān)固，能夠承受充放電過(guò)程中擴(kuò)展解決方案造成的壓力。

然而，3D打印的一個(gè)新興應(yīng)用是快速而廉價(jià)地生產(chǎn)定制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，以取代現(xiàn)有設(shè)備或執(zhí)行全新的協(xié)議。Leroy Cronin和他的團(tuán)隊(duì)描述了3D打印的“反應(yīng)器皿”，其中所有的試劑、催化劑和分析硬件都被打印出來(lái)，并包含在一個(gè)密封的環(huán)境中，這意味著處理步驟及其帶來(lái)的錯(cuò)誤被降至最低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)室的幾何形狀對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物有顯著的影響。這也導(dǎo)致了用于還原胺化和烷基化反應(yīng)的腔室的生產(chǎn)，大型多金屬氧酸鹽的合成和金納米顆粒的生產(chǎn)，以及允許在完全密封的環(huán)境中進(jìn)行多步反應(yīng)的印刷設(shè)備，這些設(shè)備通過(guò)改變?cè)O(shè)備的取向來(lái)控制。Comina等人。還展示了3D打印作為實(shí)驗(yàn)室芯片快速成型的工具，該芯片設(shè)備能夠熒光和比色檢測(cè)過(guò)氧化氫和葡萄糖。此外，Spivey et al.。使用基于激光的立體光刻系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)微流控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以捕獲酵母細(xì)胞并移除任何后代，從而深入了解這些細(xì)胞的老化過(guò)程。

盡管能夠在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)制造出復(fù)雜的幾何形狀，但許多負(fù)擔(dān)得起的商用3D打印機(jī)仍達(dá)不到制造微流體所需的分辨率。話雖如此，許多研究人員和業(yè)余愛(ài)好者已經(jīng)能夠組裝自制的3D打印機(jī)，成本只有商業(yè)打印機(jī)的一小部分。自制的SLA打印機(jī)通常基于數(shù)字投影儀，可以將切片圖像連續(xù)投影到浸泡在光固化樹(shù)脂中的可移動(dòng)構(gòu)建平臺(tái)上。對(duì)于這些基于投影儀的打印機(jī)，分辨率是與零件大小的權(quán)衡-也就是說(shuō)，可以用打印機(jī)的大網(wǎng)點(diǎn)尺寸制作較大的零件，而使用非常精細(xì)的細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)小零件。這些項(xiàng)目得到了在上運(yùn)行這些系統(tǒng)的許多開(kāi)放源碼軟件包的開(kāi)發(fā)的幫助。考慮到這一點(diǎn)，3D打印提供了一個(gè)平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上，可以下載開(kāi)源設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)并在開(kāi)源打印機(jī)上打印，這突顯了該技術(shù)的靈活性，并增加了其在微流體行業(yè)的吸引力。

5.6. 雙光子聚合光刻

與3D打印類似，雙光子聚合光刻(2PPL)涉及光敏樹(shù)脂的固化，以創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu)。然而，2ppl與3D打印的不同之處在于，紅外激光在可光聚合樹(shù)脂內(nèi)部的3D空間中聚焦，并通過(guò)雙光子吸收機(jī)制，只有激光聚焦的點(diǎn)被固化，從而提供比單光子技術(shù)更高的分辨率。然后，激光以預(yù)定的路徑掃描通過(guò)樹(shù)脂，以產(chǎn)生給定的三維結(jié)構(gòu)。最先由Maruo等人描述。1997年，2ppl近年來(lái)被用于制造復(fù)雜的光子器件、結(jié)合微結(jié)構(gòu)的微流體器件、用于監(jiān)測(cè)細(xì)胞在剪應(yīng)力作用下的機(jī)械轉(zhuǎn)換的器件，以及由光學(xué)和微流體元件組成的器件。有了這項(xiàng)技術(shù)，分辨率可低至120?nm。

6. 結(jié)論：現(xiàn)在的領(lǐng)域在哪里？

在過(guò)去的30年里，微流控技術(shù)從最初的微電子工業(yè)到?技術(shù)支持設(shè)備的概念，發(fā)展迅速，發(fā)展到今天的多元化領(lǐng)域。現(xiàn)有技術(shù)的適應(yīng)和新技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了許多設(shè)備的創(chuàng)造，使研究人員能夠以比以前更快、更高效和更自動(dòng)化的方式分析系統(tǒng)。此外，還創(chuàng)造了能夠觀察過(guò)去技術(shù)難以捉摸的現(xiàn)象的設(shè)備。盡管在過(guò)去的幾十年里，已經(jīng)有過(guò)多的新設(shè)備取得了成果，但就其在化學(xué)和生命科學(xué)中的影響而言，微流體尚未充分發(fā)揮其潛力。這可能歸因于一系列原因。

首先，在過(guò)去，微流體研究人員沒(méi)有考慮他們正在創(chuàng)造的設(shè)備的最終用戶。這導(dǎo)致了許多新設(shè)備的制造，但這些設(shè)備在該領(lǐng)域未能產(chǎn)生影響。如今，越來(lái)越多的工程師在設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中與生物學(xué)家和化學(xué)家更緊密地合作，以確保它們作為研究工具的有效性，并幫助工程師找到要解決的正確問(wèn)題。應(yīng)繼續(xù)鼓勵(lì)這種類型的合作，并將其不僅擴(kuò)展到微流控器件的設(shè)計(jì)和功能，而且擴(kuò)展到制造協(xié)議。這將允許工程師創(chuàng)建可以由幾乎沒(méi)有制造專業(yè)知識(shí)的研究人員進(jìn)行的制造過(guò)程，也不能使用專業(yè)設(shè)施。已經(jīng)在3D打印等技術(shù)方面開(kāi)展了工作，這種技術(shù)允許那些在制造方面沒(méi)有高水平專業(yè)知識(shí)的人制造設(shè)備，并且應(yīng)該開(kāi)發(fā)類似的技術(shù)，將微制造從無(wú)塵室中轉(zhuǎn)移出來(lái)(例如數(shù)字無(wú)掩模光刻系統(tǒng))。此外，這些技術(shù)的數(shù)字本質(zhì)將允許研究人員免費(fèi)分享和下載設(shè)備設(shè)計(jì)，并根據(jù)自己的需求進(jìn)行編輯。生物學(xué)家和化學(xué)家在微細(xì)加工技術(shù)方面的進(jìn)一步教育也將使這些來(lái)自不同領(lǐng)域的研究人員能夠設(shè)計(jì)出能夠進(jìn)行這種設(shè)計(jì)并制造他們自己定制的設(shè)備。這將導(dǎo)致微流體作為一種標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)工具得到更廣泛的采用，而不僅僅是那些能夠使用昂貴的潔凈室設(shè)施的人的一種技術(shù)。通過(guò)與來(lái)自不同研究背景的人合作，微流體的影響將不會(huì)根據(jù)設(shè)備的小小或速度來(lái)判斷，而是對(duì)設(shè)備促進(jìn)突破性和有影響力的研究的能力。

其次，微流體仍然是一種學(xué)術(shù)工具，而不是一種商業(yè)上成功的工具。盡管已經(jīng)在設(shè)備的大規(guī)模生產(chǎn)方面進(jìn)行了一些工作，但缺乏關(guān)于設(shè)備如何集成外部分析設(shè)備并與外部分析設(shè)備通信的標(biāo)準(zhǔn)，這意味著在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的設(shè)備可能在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室不起作用。只有在如何將芯片連接到外部世界上達(dá)成共識(shí)后，微流控才會(huì)成為一個(gè)嚴(yán)肅的行業(yè)。此外，與原型相關(guān)的制造技術(shù)并不總是轉(zhuǎn)化為大規(guī)模生產(chǎn)。從微加工母版進(jìn)行PDMS鑄造是目前最常見(jiàn)的設(shè)備原型制作方法，然而，這項(xiàng)技術(shù)不能擴(kuò)大到制造大量部件。這種對(duì)設(shè)備制造方式的疏忽意味著，大多數(shù)微流體初創(chuàng)公司都失敗了，因?yàn)楸M管它們的原型工作得很好，但它們很難調(diào)整制造方案，以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，必須致力于創(chuàng)建強(qiáng)大的制造協(xié)議，這些協(xié)議既便宜又快速，足以進(jìn)行高效的原型制作，同時(shí)還提供了一條實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工業(yè)規(guī)模制造的簡(jiǎn)單途徑。然而，為了有必要進(jìn)行這項(xiàng)研究，首先必須有對(duì)微流控設(shè)備的足夠需求，以便與工程界合作。這只能通過(guò)解決應(yīng)促進(jìn)與其他研究領(lǐng)域的合作這一點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。只有在需要設(shè)備的情況下，公司才能開(kāi)拓這一市場(chǎng)，并提供標(biāo)準(zhǔn)和定制的微流體，以加快新的研究。

過(guò)去30?年的微流控技術(shù)已經(jīng)將該領(lǐng)域從晶體管帶到了組織，如果目前與設(shè)備設(shè)計(jì)和制造相關(guān)的障礙能夠被克服，那么未來(lái)30?年看起來(lái)將帶來(lái)一系列新技術(shù)和有影響力的研究。