當你想到微或納米技術(shù)時，你可能會想到小型電子產(chǎn)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(guān)重要——也是一種小型化技術(shù)。許多COVID-19檢測可以在數(shù)小時內(nèi)得出結(jié)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(shù)，它無處不在，對現(xiàn)代世界運轉(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(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，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(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源?；瘜W(xué)家們模仿雨滴的物理特性，設(shè)計了一種裝置，可以將樣品分解成數(shù)百萬個液滴，并以令人目眩的速度分析它們。每個液滴本質(zhì)上都是一個微小的化學(xué)實驗室，化學(xué)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(fù)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(xué)一樣，尺寸是微流控的關(guān)鍵。隨著部件越來越小，設(shè)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(jié)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(shè)備，只需要極少量的血液就能測量血糖。

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(xué)研究中，微流體可以將藥物、營養(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(guān)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(zhì)定向到植物根部的特定區(qū)域，以觀察對生長化學(xué)物質(zhì)的不同反應(yīng)。其他研究小組設(shè)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(shè)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(shù)的未來

微流控將是引領(lǐng)醫(yī)學(xué)進入一個新的、快節(jié)奏的、負擔得起的時代的關(guān)鍵?？纱┐髟O(shè)備可以測量汗液中的物質(zhì)，用于運動監(jiān)測，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)微流體的下一個前沿領(lǐng)域。

研究人員正在開發(fā)復(fù)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(xué)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(yù)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(shè)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。