在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中，一系列可用的技術(shù)使科學(xué)家能夠?qū)?xì)胞進(jìn)行遺傳工程化研究，確定其機(jī)械特性、分析遺傳差異。通過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和試劑盒通常需要相當(dāng)大的人力和成本。到目前為止，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)意味著使用來自已建立的制藥和生物技術(shù)公司的昂貴的標(biāo)準(zhǔn)儀器。例如，人們可以開始他們的一天準(zhǔn)備10 L培養(yǎng)基在大型恒化器中培養(yǎng)微生物;使用DNA提取試劑盒裂解細(xì)胞，進(jìn)行多輪離心; DNA純化;使用臺(tái)式實(shí)時(shí)聚合酶鏈?zhǔn)綌U(kuò)增（rt-PCR）機(jī)器進(jìn)行擴(kuò)增和目標(biāo)檢測。如果一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室只有載玻片的尺寸能夠完成從細(xì)胞培養(yǎng)到突變鑒定的步驟，只需一半的時(shí)間和一半的成本？

微流控生物芯片

微流控技術(shù)就是一種這在減少傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室檢測時(shí)間和成本方面顯示出巨大的潛力。 簡而言之，微流控是控制數(shù)十至數(shù)百微米范圍內(nèi)的通道中的流體。 由于處理流體的規(guī)模較小，所以流動(dòng)通常是層流（雷諾數(shù)<100）并且可以非常精確地控制。 鑒于大多數(shù)生物樣品含有數(shù)千至數(shù)百萬個(gè)要分析的細(xì)胞，并且可能難以收集，因此微流體特別適用于生物學(xué)工作，因?yàn)樗辉试S少量樣品進(jìn)行高通量處理。

使用微流控技術(shù)的芯片實(shí)驗(yàn)室（LOC）的想法是研究原理集成到納米到微米級(jí)的單個(gè)微型器件中。然而，值得注意的是，微流體的想法并不是最近的。自20世紀(jì)50年代以來，微通道中的流體操作一直存在。然而，該領(lǐng)域圍繞使用集成電路技術(shù)制造的器件集中在硅襯底上，同時(shí)利用電滲流來操縱其目標(biāo)。隨著90年代軟材料和先進(jìn)制造技術(shù)的出現(xiàn)，微流體在生物學(xué)家和工程師中廣泛流行。從基于細(xì)胞的檢測，基因組學(xué)，蛋白質(zhì)組學(xué)，轉(zhuǎn)錄組學(xué)甚至藥物發(fā)現(xiàn)，微流體已經(jīng)在生物科學(xué)的許多學(xué)科中分支出來。微流控技術(shù)可以進(jìn)一步分為兩類，采用主動(dòng)分選或被動(dòng)（無標(biāo)記）分選方法來控制目標(biāo)。隨著微流體技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)單個(gè)細(xì)胞的分析成為可能。

1.單細(xì)胞的需求

在許多科學(xué)研究中，海量數(shù)據(jù)通常用作解釋結(jié)果的表示法。然而，這種技術(shù)的主要缺點(diǎn)是種群內(nèi)可能存在異質(zhì)性。一個(gè)充分研究的例子是轉(zhuǎn)移性癌癥患者血液中存在的循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）。 CTC是從原發(fā)腫瘤向血流中傳播以開始轉(zhuǎn)移過程的腫瘤細(xì)胞。雖然大多數(shù)循環(huán)中的腫瘤細(xì)胞無法在敵對(duì)的免疫環(huán)境和血管中的高剪切下存活，但是一些CTC成功地在遠(yuǎn)處形成移動(dòng)并建立轉(zhuǎn)移病灶。盡管可以使用液體活組織檢查（一種非侵入性技術(shù)）獲得全血，但極低數(shù)量的CTC（1-10 / mL）意味著從全血中獲取平均值可能會(huì)得出偏向于野生型讀數(shù)的結(jié)果，例如白血細(xì)胞。而且，由于這些細(xì)胞的數(shù)量很少，遺傳信息也可能被掩蓋。微流體技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了CTC的分離和分離。通過這種方式，可以在單個(gè)細(xì)胞水平上進(jìn)行基因組分析，這可以揭示關(guān)于癌癥患者突變狀態(tài)的關(guān)鍵信息。這將允許臨床醫(yī)生個(gè)性化治療并提高這些患者的生存率。

Figure 1. 微流控單細(xì)胞分離裝置. Image adapted and reproduced with permission from Yeo et al., Sci. Rep. 6, 22076 (2016). Copyright Nature Publishing Group.

2.便攜性

在發(fā)展中國家，傳染病是人民和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的普遍問題。 由于缺乏設(shè)備完善的診斷實(shí)驗(yàn)室，這種情況更加惡化。 分子檢測如酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)，蛋白質(zhì)印跡和PCR等通常需要熟練的技術(shù)人員和幾個(gè)小時(shí)的加工。 因此，一個(gè)可能的解決方案是提供便攜式即時(shí)護(hù)理（POC）設(shè)備，以提供快速檢測。 特別是，一種涉及使用紙微流體技術(shù)的新興技術(shù)已經(jīng)顯示出以最少的步驟檢測HIV等病原體的希望。 紙基微流控技術(shù)也已在該領(lǐng)域成功部署，用于檢測埃博拉病毒。 制造成本低，功能多樣，微流體設(shè)備體積小，適用于POC診斷。 特別是，紙微流體消除了實(shí)驗(yàn)室和龐大的設(shè)備來執(zhí)行這些測試。

在全球范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室正在推動(dòng)工程和生物學(xué)的界限。 除了其明顯的便攜式尺寸外，微流體的其他優(yōu)勢如下：

操縱的靈活性

較低的試劑

經(jīng)濟(jì)可承受性

實(shí)時(shí)監(jiān)控

流體動(dòng)力學(xué)中還有其他許多物理現(xiàn)象。 除了基于紙張的方法之外，還有以下常用的方法：

液滴微流控

數(shù)字微流控

傳感器微流體

光流控

隨著各國從基礎(chǔ)研究向平移研究過渡，跨越不同專業(yè)知識(shí)的整合與合作是關(guān)鍵。 盡管如此，盡管與微流控相關(guān)的出版物數(shù)量不斷增加，但很少有設(shè)備最終被商業(yè)化。 一個(gè)迫切需要解決的問題是需要通過鼓勵(lì)有抱負(fù)的科學(xué)家與行業(yè)和臨床醫(yī)生合作，確定市場需求并通過開發(fā)商業(yè)用途設(shè)備來進(jìn)一步推進(jìn)短期研究項(xiàng)目。

微流體研究的多樣性可以產(chǎn)生更好的想法，競爭可能會(huì)推動(dòng)突破性項(xiàng)目。 與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)設(shè)備相比，微流體中可見的更高通量意味著在更短的時(shí)間內(nèi)獲得結(jié)果，并具有更高的空間和時(shí)間分辨率。 隨著微流體技術(shù)的進(jìn)步，我們正在朝著一種微創(chuàng)工具進(jìn)行癌癥評(píng)估，并在資源有限的地區(qū)檢測病原體。 希望在不久的將來，我們將開發(fā)一種POC設(shè)備，可以從舒適的家中提供快速的健康分析，而無需在醫(yī)院長時(shí)間等待。 微流體技術(shù)正在通過將診斷能力從實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)移到消費(fèi)者手中來徹底改變實(shí)驗(yàn)的方式，并且可能會(huì)以前所未有的方式補(bǔ)充科學(xué)研究。