微流控技术的研究发展及应用前景

微流控芯片技术是生物芯片的基石，它通过多学科交叉将化学、生物学、医学等领域所涉及的样品预处理、生化反应、分选及检测等过程集成到几平方厘米的芯片上，从而实现从样品前处理到后续分析的微型化、自动化、集成化和便携化的技术。早在2003年，微流控技术就被福布斯（Forbes）杂志评为影响人类未来15件最重要的发明之一。这项技术使得实验室研究产生了革命性的变化，并在生物化学、医学等诸多领域得到了广泛应用。我们来看看微流控技术目前的研究发展及应用前景。

微流控芯片细胞分离

通过不同的分选原理，微流控芯片可实现对不同细胞的分离。以CTC（循环肿瘤细胞）为例，CTC是一类由癌变部位释放并进入血液中的癌细胞，在癌症的早期诊断、个体化及肿瘤转移机制研究等方面的有着广泛作用。微流控芯片对于CTC主要有两大类分选方法：基于癌细胞与正常细胞或血细胞间生物学性质（包括细胞表面蛋白表达水平、细胞活性和侵润能力等）差异，以及基于它们之间物理性质（包括尺寸、密度、细胞表面电荷量和变形性等）差异。

这里主要讲一下第一种。亲和性分选（根据化学性质）是微流控芯片细胞分选中最经典的方法，通过在芯片内部的微结构上固定能与目标细胞结合的特定的抗体或配体，当样品流经微通道时，固定在微通道中的抗体通过与细胞表面抗原特异性结合将CTC捕获并保留在芯片内，其他细胞随缓冲液流出芯片。常用的CTC捕获抗体有人上皮细胞黏附分子（EpCAM）和白细胞共同抗原CD45。

研究人员通过增大了细胞与芯片中的抗体/衬底等结构的接触面积、借助磁场与磁性材料、组合使用含不同细胞表面抗原的芯片等手段，可显著提高转移性肺癌、前列腺癌、胰腺癌、乳腺癌、结肠癌等癌症中CTC的检出率和纯度。通过微流控芯片，CTC细胞在全血中分离回收时甚至可能依旧保持生物活性，可以进一步进行蛋白质或核酸内容物的分析。

即时检验和临床诊断

微流控检测芯片一般具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点，因此特别适合发展床边（POC）诊断，具有简化诊断流程、提高医疗结果的巨大潜力。在诊断方面，一个最典型的例子就是肿瘤。除了CTC以外，微流控芯片还可应用于 ctDNA（循环肿瘤DNA）甚至外泌体的检测，这些生物标志物在血液中含量很少，传统方法难以检测，但微流控芯片所需的样本量不大，发展起来后将是一个绝佳的解决方案。而这些生物标志物所蕴含的丰富信息量无疑能为肿瘤患者的诊断和治疗提供极大的帮助和支持。

药物活性、毒性研究

在药物领域，微流控芯片也有着诸多应用。比如干细胞芯片，可克服现有的干细胞进行体外研究的局限性，通过实时精确控制干细胞微环境中的各种因素，尽可能地模拟干细胞生长分化的复杂环境。更神奇的是能模拟器官与组织之间不同相互作用的“器官”芯片，如哈佛大学的研究人员曾采用由肺细胞、渗透膜及毛细血管制成的“芯片肺”（类似于网孔的渗透膜上排列着人体细胞，上方为充满气体的“肺泡”通道，下方为充满液体的“毛细血管”）用真空循环模拟肺的呼吸，再现了临床中癌症患者使用白介素- 2 导致肺水肿的药物毒性。 “器官”芯片将有望加速新药开发的进程，并最终取代动物实验用于药物的测试和毒理测试。

此外，在药物输送系统中，微流控技术也能够大展身手。微流控技术操控下的流体具有独特的性质，能实现一系列常规方法所难以完成的微粒加工，所以它有利于制备结构高度均一、单分散性的纳米粒；有利于快速高效地筛选载体材料、尤其是常规方法中不易组装形成纳米粒的载体材料可通过微流控组装工艺得以重新利用；有利于纳米结构的精准可调控组装；还有利于设计多功能化、复杂结构的纳米药物输送系统。只是目前，微控流技术由于体积小，尚难以实现大规模的制剂生产。相信未来，科学家们在这一方面也会有所突破。

微流控芯片3D打印

随着微流控芯片技术的逐渐展开及微分析技术的需求，芯片构型设计越加丰富，这就对芯片的制造也提出的更高的要求。近年来随着 3D 打印技术的兴起，越来越多的研究者尝试使用 3D 打印技术加工微流控芯片。相比于传统的微加工技术，3D 打印微流控芯片技术显示出了其设计加工快速、材料适应性广、成本低廉等优势。早期的基于 3D 打印的微流控芯片技术普遍使用倒模的方法，通过3D 打印出热塑性材料的模具后使用 PDMS 进行倒模。而如今，3D 打印微流控芯片技术的发展更加迅速，出现了整合生物传感器、高通量、多层芯片、实时生物医学检测等多种芯片，纸基 3D 打印微流控芯片技术也迎来了新发展，出现了3D打印制成的具有集成金属电极的纸基微流控芯片。

3D打印微流控芯片的近期发展

可以看到，无论是制备、结构升级和临床应用的开发方面，微流控技术芯片的发展都如火如荼。作为最前沿的交叉学科技术，微流控技术与干细胞、基因编辑、疾病模拟、疾病诊断、预后管理等交集紧密，从基础到临床，是科研工作者和临床医生都需要关注的热点前沿。我们希望看到各领域的专家都能踊跃交流最前沿的技术发展与应用，让这项技术惠及更多患者。