微流控技術(shù)：您從未聽說過的下一個醫(yī)學(xué)突破

什么是微流控？

微流控系統(tǒng)是處理極少量液體的任何設(shè)備。流體穿過比頭發(fā)還細(xì)的通道，微小的閥門可以打開和關(guān)閉流體。這些通道由玻璃、聚合物、紙或凝膠等材料制成。移動流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；另一種方法是使用所謂的毛細(xì)作用——通常稱為芯吸作用。芯吸作用是儲存在液體中的能量推動液體穿過狹窄空間的過程。

有色液體從左下方進(jìn)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。

圖片：Greg Cooksey 和 Albert Folch

在小尺度上，流體以不直觀的方式表現(xiàn)。想象一下從花園軟管或淋浴噴頭中流出的湍流、混亂的水流。相反，在微通道的收縮體積中，流動異常穩(wěn)定。流體以有組織的平行流（稱為層流）沿通道向下移動。層流是微流控系統(tǒng)的一大奇跡。層流中的流體和顆粒遵循數(shù)學(xué)上可預(yù)測的路徑——這是精密工程和醫(yī)療設(shè)備設(shè)計的必要條件。

這些過程——對研究人員來說是鼓舞人心的——已經(jīng)在自然界中存在了億萬年。植物利用毛細(xì)血管將養(yǎng)分從根部輸送到最高的樹枝，這是自主供電的微流控回路的靈感來源。模仿雨滴的物理特性，化學(xué)家設(shè)計了一種裝置，可以將樣品分解成數(shù)百萬個液滴，并以令人眼花繚亂的速度對其進(jìn)行分析。每個液滴本質(zhì)上都是一個微型化學(xué)實驗室，化學(xué)家可以通過它研究生物分子的進(jìn)化并進(jìn)行超快速遺傳分析等。

最后，人體的每個角落都是微流控。如果沒有錯綜復(fù)雜的毛細(xì)血管，將食物、氧氣和信號分子帶到每個細(xì)胞，我們就無法出生或運(yùn)作。

微型技術(shù)的好處

就像微電子學(xué)一樣，尺寸是微流控的關(guān)鍵。

隨著組件變得越來越小，設(shè)備可以在微小尺度上依賴液體的奇怪特性，可以更快、更有效地運(yùn)行并且制造成本更低。微流控革命一直在默默地捎帶電子革命。

葡萄糖條是一種微流控裝置，只需要極少量的血液來測量血糖

圖片：Albert Folch，CC BY-ND

微流控設(shè)備的另一個主要好處是它們只需要非常少量的液體，因此尺寸很小。美國宇航局長期以來一直在考慮為其火星探測器安裝微流控分析儀。對珍貴液體（如人血）的分析也受益于使用小樣本的能力。例如，血糖儀是一種微流控儀器，只需要一滴血就可以測量糖尿病患者的血糖。

技術(shù)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的微流控

您可能在生活中經(jīng)常使用微流控。噴墨打印機(jī)噴射微小的墨滴。3D 打印機(jī)通過微流控噴嘴擠出熔融聚合物。鋼筆和圓珠筆中的墨水通過微流控原理流動。用于哮喘患者的霧化器噴出微小的藥滴霧。妊娠試驗依賴于微流控紙條內(nèi)的尿液流動。

在科學(xué)研究中，微流控技術(shù)可以將藥物、營養(yǎng)物質(zhì)或任何流體引導(dǎo)到生物體的特定部位，以更精確地模擬生物過程。

例如，研究人員將蠕蟲困在通道中并用氣味刺激它們以了解神經(jīng)回路。另一個團(tuán)隊將營養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)向植物根部的特定區(qū)域，以觀察對生長化學(xué)物質(zhì)的不同反應(yīng)。其他團(tuán)體設(shè)計了微流控陷阱，可以從血液中物理捕獲罕見的腫瘤細(xì)胞。大量微流控基因芯片提供了快速對人類基因組進(jìn)行測序的能力，并使23andMe等個性化 DNA 測試成為現(xiàn)實。如果沒有微流控技術(shù)，這一切都是不可能的。

該裝置是“芯片上的腫瘤”，每個孔中都含有不同的藥物，這些藥物被泵送到放置腫瘤樣本的中心。

圖片：Adan Rodriguez 和 Albert Folch，CC BY-ND

微流控的未來

微流控技術(shù)對于將醫(yī)學(xué)帶入一個新的、快節(jié)奏的、負(fù)擔(dān)得起的時代至關(guān)重要。測量汗液中物質(zhì)以進(jìn)行運(yùn)動監(jiān)測的可穿戴設(shè)備和將抗癌藥物局部輸送到患者腫瘤的可植入設(shè)備是生物醫(yī)學(xué)微流控的下一個前沿領(lǐng)域。

研究人員正在開發(fā)復(fù)雜、引人入勝的微流控系統(tǒng)，稱為芯片器官，旨在模擬人體生理學(xué)的各個方面。在我自己的實驗室和世界各地的其他實驗室，團(tuán)隊正在開發(fā)片上腫瘤平臺，以更有效地測試抗癌藥物。這些患者化身將使科學(xué)家能夠以不涉及與動物或人類測試相關(guān)的成本、痛苦和倫理問題的方式測試新療法。在我的實驗室中，我們首先將癌癥患者的腫瘤活檢解剖成數(shù)千個我們保持存活的微觀規(guī)則碎片。憑借它們的小尺寸，我們可以使用微流控技術(shù)將微小的腫瘤碎片捕獲在多個孔中，每藥一口井。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)測藥物對特定人的作用。

想象一下去看醫(yī)生，提取活檢，在不到一周的時間內(nèi)，通過使用我們的微流控設(shè)備，醫(yī)生可以找出哪種藥物混合物最適合去除您的腫瘤。那仍然是未來，但我們所知道的是，未來將是微流控。