微小而奇妙的微流体世界科技领航人

2023/1/6 来源：不详

当你想到微技术或纳米技术时，你可能会想到手机、微型机器人或微芯片等小型电子产品。

但是，COVID-19测试也是一种小型化技术，已经被证明是控制流感大流行的核心。许多COVID-19测试可以在数小时内给出结果，而无需将样本送至实验室，而且这些测试大多使用一种称为微流体的方法。

从怀孕测试到葡萄糖试纸到喷墨打印机再到基因测试，一切都依赖于微流体技术。这项技术，许多人都不知道，无处不在，对许多使现代世界运转的事物都至关重要。

什么是微流体？

微流控系统是任何处理微量液体的设备。流体通过比头发还细的通道，微小的阀门可以开启和关闭流体。这些通道由玻璃、聚合物、纸或凝胶等材料制成。

移动液体的一种方法是使用机械泵；另一种方法是利用某些物质的表面电荷；还有一种方法是使用所谓的毛细作用——更常见的是毛细作用。芯吸是储存在液体中的能量推动液体通过狭窄空间的过程。

在小尺度下，流体的行为不直观。不要想象从花园的水管或淋浴喷头里流出的乱流，相反，在狭窄的微通道中，流动是非常稳定的。

流体以有组织的平行流沿通道向下流动，称为层流。层流是微流控系统的一大奇迹。层流中的流体和颗粒遵循数学上可预测的路径，这是精密工程和医疗设备设计的必要条件。

这些过程激发了研究人员的灵感，在自然界中已经存在了亿万年。植物利用毛细作用将营养物质从根部输送到最高的树枝上，毛细作用是微流控电路的灵感来源，微流控电路是自动供电的。

化学家们模仿雨滴的物理特性，设计了一种装置，可以将一个样本分解成数百万个雨滴，并以令人目眩的速度进行分析。每个液滴本质上都是一个微小的化学实验室，让化学家可以研究生物分子的进化，进行超快的基因分析等。

最后，人体的每个角落都是微流控的。如果没有向每个细胞输送食物、氧气和信号分子的复杂毛细血管，我们就无法出生或发挥功能。

微小技术的好处

就像微电子技术一样，尺寸是微流体的关键。

当元件变小时，设备可以依靠液体在微小尺度上的奇异特性，可以更快更有效地运行，并且制造成本更低。微流控技术的革命一直默默地依靠电子技术。

微流控设备的另一个主要优点是，它们只需要非常少量的液体，因此体积很小。

美国宇航局一直在考虑微流控分析仪的火星探测器很长一段时间。对珍贵液体（如人体血液）的分析也得益于使用小样本的能力。例如，血糖仪是一种微流控仪器，只需要一滴血就可以测量糖尿病患者的血糖。

技术、生物学和医学中的微流体

很可能你在生活中经常使用微流体。喷墨打印机喷射微小的墨滴。3D打印机通过微流控喷嘴挤出熔融的聚合物。自来水笔和圆珠笔中的墨水通过微流控原理流动。哮喘患者用的喷雾器喷射出一层薄雾状的微小药滴。妊娠测试依赖于微流控纸带内的尿液流动。

在科学研究中，微流体可以将药物、营养素或任何液体引导到生物体的特定部位，以更精确地模拟生物过程。

例如，研究人员将蠕虫困在通道中，用气味刺激它们，以了解神经回路。另一个研究小组将营养物质引导到植物根系的特定区域，观察植物对生长化学物质的不同反应。

其他研究小组已经设计出微流控陷阱，从血液中物理捕获稀有的肿瘤细胞。

大量的微流控基因芯片提供了对人类基因组进行快速测序的能力，并使像23andMe基因公司这样的个性化DNA测试成为现实。如果没有微流体，这一切都不可能实现。

微流体的未来

微流体技术将是引领医学进入一个新的、快节奏的、负担得起的时代的关键。可穿戴设备可以测量运动监测时汗液中的物质，而植入式设备可以局部地将抗癌药物输送到患者的肿瘤中，这是生物医学微流控的下一个前沿领域。

研究人员正在开发一种叫做芯片上器官的复杂而迷人的微流控系统，旨在模拟人类生理学的各个方面。

在我自己的实验室和世界各地的其他实验室里，团队正在开发芯片上的肿瘤平台，以更有效地测试癌症药物。这些病人的化身将使科学家能够以一种不需要花费、痛苦和伦理问题的方式来测试新的治疗方法。

在我的实验室里，我们首先从一个癌症病人身上解剖出一个肿瘤活检组织，然后把它切成成千上万个显微镜下的规则的碎片，这样我们就可以存活下来。由于它们体积小，我们可以用微流控技术在多个孔中捕获微小的肿瘤碎片，每个药物一个孔。

这些样本保留了肿瘤的适当细胞环境，这将使我们能够更准确地预测药物对特定人群的作用。

想象一下，去看医生，提取活检，不到一周，通过使用我们的微流控设备，医生就能找出哪种药物鸡尾酒最有效地去除肿瘤。这仍在未来，但我们所知道的是，未来将是微流控。