通过调节润湿行为在微流体技术方面的最新进展（下）

3. 微流控和通道系统

尽管微流控的概念由来已久，但直到1990年代，Manz等人才提出了一种在硅晶片上使用微流控来构建微结构的方法。研究在于将微流控的工艺尺度推进到微纳米级，真正意义上的微流控研究正是在这个尺度上开始的。研究人员随后提出了光刻、图案、蚀刻和3D打印方法，以实现微纳级的微流控结构层。另一方面，表面力在小尺度的固体和水溶液之间的相互作用中起着至关重要的作用，因为水具有相对较高的表面张力。在上一节中，微流控的描述基于开发、原理和工艺准备。下一节将介绍两个基本的微流体系统，以增强对微流体及其与润湿性联系的理解。

3.1. 封闭式门禁系统

微流体通过提出微纳米级制造工艺实现封闭通道系统。现阶段，Chen等人提出了计算闭合分子计算方法，为微流控走向信息化提供了基础理论。在此基础上，Han等人提出了一种有源微流控系统封装技术，该技术允许将多功能组件集成在单个基板上。实际上，该系统的本质是基于基于润湿性在封闭管道内液滴的运动。在这个过程中，毛细管驱动并不占主导地位。事实上，由于封闭系统，可以实现外部能量的直接高效迁移，从而实现液滴在管道控制的基础上完成其目标功。由于系统的特性，可以进行精确的液滴控制，并且是目前CNC，基于微流体的自动化的最佳选择。根据系统的特点，可以进行精确的液滴控制，并且是目前CNC，基于微流控的自动化的最佳选择。

图 7.（a） 微流体的封闭式系统：测量系统、微流体阵列、MST和模拟。（b） 微流体的开放获取系统：测量系统、细胞培养、3D结构和组织培养（c） 比较两个系统的树状图。

除其他外，在这个阶段实现了连续流动微流控。连续流动微流控是通过毛细管元件中的流动流体控制稳态流体流过狭窄通道或多孔介质，这可以通过简单地改变毛细管元件的横截面几何形状来实现。在该系统中，液体流动由外部压力源、外部机械泵、集成机械微型泵或毛细管力和电气机构的组合驱动。上述研究证明了连续流微流控的特点：生化应用的简单性和材料基材的通用性。综上所述，连续流微流控操作是占主导地位的方法，并在实践中应用了一些结果。在微流控阵列中，Tahveldari等人报道了通过微阀调节实现集成在微流控网络中的纳米孔阵列的电通道和流体通道（图7）。该网络允许使用各种流道，其中生物分子样品可以使用独立的纳米孔进行分析。随后，Kamei等人报道了用于细胞筛选的微流控-纳米纤维杂化阵列（图8）。这种混合阵列具有集成微流控通道和纳米纤维的组合平台，可协同工作以实现细胞筛选。不久前，Mei等人报道了一种基于纳米纤维的微流控系统，用于多种汗液分析和可穿戴性。随着研究的进展，微流控纺丝技术也被报道。Cui等人报道了通过微流控纺丝技术实现易于访问的可穿戴设备（图7）。该工艺环保、绿色，可进行大规模生产。随后，胡等人报道了通过微流控纺丝路线将结构可调的氧化石墨烯纤维用于多功能纺织品（图8）。此外，流体动力学也被引入到工艺中，作为实现最佳结构的一种方式。相比之下，最近关于封闭式系统微流控系统的研究主要集中在仿真上。虽然目前对封闭式系统微流控系统的研究主要集中在有机环境的模拟上，但Fu和他的同事报告了在复杂的微流控网络中通过真空压力加速运动（V-PAM）加速生物流体填充（图7）。这项研究在集成微流体中实现了先进的流体控制和运输，用于各种微流体诊断、器官芯片和仿生研究。此外，Chen和他的同事报道了可注射有机/无机微流控微球促进骨修复的免疫学和生物信息学分析（图8）。本研究系统揭示了材料植入后局部免疫反应的早期变化以及影响晚期成骨的机制。

然而，微流控的进步超越了封闭通道系统，因为整体流量控制结构带来了固有的集成挑战。流体参数沿流动路径变化，使任何给定点的流体流动取决于系统的特性，从而降低了其对需要高灵活性的流体操作的适用性。为了克服这些技术缺陷，研究人员应用了封闭式系统微流体的精确特性。例如，Strohmeier等人提出了一种基于封闭式系统微流控的离心式微流控平台。该平台利用一整套流体单元操作，如流体输送、计量、混合和阀门控制，实现自动化流体处理。此外，Ayuso等人提出了封闭式微流控系统在精准医疗中的应用，并讨论了功能性微流控检测作为治疗预测因子的当前和潜在未来作用。

3.2. 开放获取系统

微流体的开放接入系统意味着至少去除系统的一个边界，将流体暴露在空气或其他界面中，以控制稳态流体流过狭窄的通道或多孔介质。由于与连续流微流体系统不同，微流体的开放式系统不需要保持密封，因此开放式微流体需要的封装技术要少得多。它允许直接且相对简单的开放式微流体制造。例如，Berry等人使用一种简单的图案化方法来制造水凝胶壁，以便能够观察微流体现象以进行细胞信息交换（图7）。在此基础上，Berthier等人分析了开放的微流控毛细管系统。在这个系统中，流体在四面没有物理壁的通道中受到毛细管力的操纵。典型的通道几何形状包括空腔、轨道或横梁以及具有多个气液界面的复杂系统。移除通道壁允许在通道中的任何位置移除和添加通道。因此，Lee等人报道了微流体系统模块化光流体模块的按需和开源原型设计。在本报告中，光流体模块块作为分立元件呈现，用于模块化外围光学和流体系统，并用于整个微流体系统的按需和开源原型设计。每个模块化模块都是通过将光学或流体设备嵌入到相应的 3D 打印结构中来创建的。

此外，该系统暴露于其他相界面有助于材料通过其液体表面张力而不是依赖外部驱动力来启动微流体运动的能力。这一优势允许集成开放式微流体。基于这一特性，Su等人报道了使用集成数字分子计数微流控孔板对稀有细胞进行超灵敏的多参数表型分析（图7）。与传统方法相比，微流控平台中的免疫传感器可以高度准确地检测促炎细胞因子细胞分泌的小信号和中信号，以及单个细胞的精确计数和基于图像的细胞计数。同样，Day等人报道了注塑成型的开放式微流控板嵌件。这种使用生物相容性水凝胶的微流控插入物可用于用户友好的共培养和显微镜检查。更重要的是，它为原代细胞的培养和观察提供了一种新的方法。Lecault等人报道了微流控细胞培养阵列中单个造血干细胞增殖的高通量分析（图9）。实现高通量分析的能力有望为细胞群异质性引起的技术挑战提供解决方案。不仅开放存取的微流体系统也由于使用而驱动了 3D 微流体，并允许自下而上的设计。随着细胞培养和 3D 结构设计的发展，研究人员试图将二维细胞培养与 3D 结构设计相结合，建议使用开放式微流体来实现组织培养。Zhang的团队提出了一种名为IFlowPlate的微流控平台的制造方法（图7）。该平台能够对多达 128 个独立灌注和血管化的结肠类器官进行体外培养，血管化类器官芯片装置的设计不需要任何外部泵送系统，并允许提取组织进行下游分析。在此之后，Haun的团队使用微流控平台加速组织加工成单细胞。这种方法大大加快了组织和原代培养模型的分子分析。Shafagh等人报道了一种微流控共培养芯片，该芯片可以识别人体代谢反应的特征（图9）。该芯片可识别糖尿病前期高血糖症中的人体代谢反应特征，允许不同 3D 原代人体组织培养物之间的整合和互通，并且通过微通道电阻器的特定配置连接到多个组织室的微流控单“合成心脏”气动驱动单元实现每个组织腔室的受控异源灌注。多个组织室。

图 8.封闭系统微流控应用。（a） 封闭系统微流控在微流控阵列中的应用：具有纳米阵列的装置、构建的中间体和分析结果（b） 闭系统微流控在MST中的应用：MST的装置、MST的过程和样品的形貌（c） 封闭系统微流控在模拟中的应用：模拟装置及其过程

综上所述，微流控与表面润湿性之间联系的基础是基于封闭/开放通道系统的构建，作为目前微流控实现的介质，需要根据实际情况加以考虑以达到最佳效果（图6）。封闭系统用于高精度微流控技术，如模拟、微尺度热泳 （MST） 和微流控阵列，在这些技术中，需要受控和封闭的环境。另一方面，当细胞培养、组织培养和 3D 结构等应用需要高度灵活性时，开放系统是首选。随着微流体技术的不断发展，开放和封闭系统之间的区别变得越来越不明确。微流控技术的未来趋势是以并联或串联配置连接多个独立的微流控系统。这种方法避免了在实际应用中将系统严格分类为开放式或封闭式的必要性，因为它可以根据独特的要求和功能进行定制和链接。

图 9.开放系统微流控应用。（a） 封闭系统微流控在细胞培养中的应用：细胞培养的装置、装置的中间值和细胞培养的结果（b） 封闭系统微流控在构建三维结构中的应用：构建三维结构和三维结构的装置（c） 封闭系统微流控在组织培养中的应用：组织培养装置和组织培养结果

四、微流控的主要应用

微流体在生物学和医学领域的潜力是巨大的，这要归功于它能够以极高的精度和速度操纵微量流体。微流体装置在开放和封闭系统原理下运行，正在催化当代生化研究的范式转变。这种转变是显而易见的，因为细胞培养和药理学创新领域从根本上取决于液固界面相互作用。因此，科学界正在逐步将微流体作为一种具有重大前景的工具。微流控技术与免疫测定的整合预示着生物标志物检测领域的变革性进步。这种协同作用有助于加快检测处理速度，最大限度地减少试剂体积，降低功耗，并扩大集成和自动化范围，超越传统方法的能力。本节旨在阐明微流体领域的前瞻性轨迹和新兴趋势，强调它们对诊断和生物学研究的未来的影响。微流控的前景充满希望，预计连续的研究工作将在生物和医学科学的一系列应用中提高微流控设备的效率和功效。微流体技术的未来趋势包括日益复杂的系统工程，在单一设备中融合多种功能，以及集成人工智能和机器学习算法，以促进实时分析和自主调节。这些进步的进步有望增强微流控技术的功能范围，从而为该学科的突破性创新奠定基础。本节将深入探讨预期的趋势，并探讨它们在重塑微流体未来方面的潜力。

4.1. 细胞分析和微生物学

微流控在生物学中的突出应用是细胞培养。通常，细胞（例如真核细胞）的大小在10至100μm之间，细胞培养在液体中进行，原则上属于微流体的操作范围（图10a）。此外，微流控通道的大小非常适合细胞的物理大小（大约10μm），因此研究人员使用微流控技术来培养细胞。

图10. （a） 微流控在细胞培养中的示意图（b）在标准压力驱动的微流控系统装置中进行的反应的示意图比较：标准压力驱动的微流控系统装置与微通道中由灰色“分隔器”水流隔开的层流。（c） 组织示意图：切碎组织消化装置、切碎消化装置内的组织以及组织的生长速度（d） 神经组织示意图：细胞培养过程、神经组织的观察和神经测试的结果

首先，微流控细胞培养的一些主要优点包括减少样品量以及在同一设备中定制和研究多个微环境的灵活性。例如，在原代细胞等细胞较少且可以严格控制生长分裂次数的条件下，微流控技术比传统技术具有相当大的优势。作为回应，Haun的团队提出了微流控平台来加速组织处理。更重要的是，该平台可用于分子分析和原代培养模型，从而实现减少消耗和提高器官组织利用率的目标（图10c）。Brandenberg等人提出了一种基于激光烧蚀的原位技术，用于在生物相容性凝胶中制造复杂的微流体网络，而无需手动操作。该方法与3D细胞培养完全兼容，为细胞生物学、发育生物学和基于干细胞的组织工程开辟了前所未有的机遇。随着计算机技术的发展，合成生物学得到了广泛的发展。

其次，微流控技术可以精确模拟生物体内细胞的生长环境。如上所述，微流控系统内存在层流现象，类似于生物体内流体的运动，在这种环境中培养细胞有利于生长梯度的形成，对细胞产生触觉效果，这对于神经元细胞的研究具有开创性。该方法能够将 2D 图像信息转换为先进的体外模型，用于未来的患者分层和个性化药物开发。

可以预见，微流控在细胞培养中的未来将进一步进入神经元细胞培养，从2D细胞培养到3D器官组织培养。这将进一步增强微流控在生物学研究中的作用。通过自动化微流控实现高效的细胞培养现已成为现实。这表明未来的生物细胞学研究将使用微流控作为技术载体，以实现更大的突破。

4.2. 诊断和药物递送

微流控在医学上最突出的应用是药物发现，目前主要基于高通量筛选和检测。高通量筛选是一种同时评估生物活性的先进技术，具有许多筛选通量和测试。与基于培养皿和实验动物的传统药物筛选方法相比，对于满足微流控微观、快速、灵敏特性的高通量筛选和检测技术，微流控生物测定可以避免伦理问题。微流控的具体用途根据药物研发的需要分为三种模式。

微流控的一个显着应用是开发用于药物测试的单细胞微阵列。传统的药物测试方法通常涉及使用组织样本，然后从组织中提取细胞进行分析。然而，这种方法可能无法满足药物开发的需求。微流控系统为这一挑战提供了解决方案。通过使用专为单细胞分析而设计的具有微观特征的微流控芯片，这些芯片可以被动捕获单个细胞并分析它们对药物的反应。这允许批量测试和快速确定被测药物的有效性。单细胞微阵列的优点是它们可以更准确、更详细地了解单个细胞对药物的反应。这些信息在药物开发中至关重要，因为它可以帮助研究人员识别潜在的候选药物并了解细胞水平的作用机制。事实上，在单细胞微阵列中使用微流控技术为药物开发提供了强大的工具，能够更高效、更精确地测试候选药物。这有可能显着推动药理学领域的发展，并有助于开发更安全、更有效的药物。例如，Dura等人报道了一种用于分析淋巴细胞相互作用的微流控平台（图11a）。该平台可在规定的接触时间内实现淋巴细胞的高通量确定性配对，从而在受控微环境中准确评估每对淋巴细胞的早期激活事件。

图 11.（a） 单细胞微阵列示意图：器件、微观形态和分析过程（b） 浓度梯度发生器微流控系统装置的示意图比较：装置和分析过程（c） 3D器官芯片示意图：设备和分析结果

第二，浓度梯度发生器。在药物开发早期，药物在受体中的浓度非常关键，测试对不同浓度药物的毒性反应非常困难。相比之下，微流控系统下层流的存在使得微流控芯片可以充当浓度梯度发生器，通过精确控制细胞与药物之间的距离，以及分支结构的多步稀释来实现梯度药物浓度，以此来检测合适的药物浓度。例如，Tang等人报道了一种基于离心微流控的高度自动化的线性浓度梯度发生器（图11b）。该设备的操作基于多层微流体的使用，其中要混合的单个流体样品在各自的层中存储和计量，然后最终转移到混合室以实现测量。

第三，3D器官芯片。药物上市后监测需要进行体内动物研究，以获得药物的特定参数作为改善指标。然而，体内动物试验既昂贵又有道德问题。由于加工技术的进步，三维（3D）类器官有望在药物药理学研究中取代动物。这为跟踪药物分布和毒性以预测体内行为提供了一个平台。Delon等人报道了实现器官模型培养的无泵和无管微流控技术（图11c）。该技术使用亲水线，通过在细胞培养室中的受控条件下持续蒸发来提供灌注细胞培养基的驱动力。通过调整螺纹的长度和/或直径，可以应用明确定义和可调节的流速。

综上所述，微流控大大加速了药物开发，实现了高效、经济的技术突破。未来的微流控技术极有可能将这三种模式整合在一起，从而实现一步到位的药物发现方法，并实现研发目标。现在，药物开发智能正在应用于微流控。Prince等人报道了一种示意图微流控平台，用于生成在仿生水凝胶中生长的大阵列乳腺肿瘤球体，具有接近生理流动。该癌症球体微阵列模型用于研究药物剂量和供应率对乳腺肿瘤球体化学敏感性的影响，节省时间和精力。Pandya等人报道了一种用于在癌症微环境中筛选药物的3D微流控平台，该平台可用于在不到12小时的时间内对化疗药物的成功进行实时确定性分析。

在本节中，很好地介绍了微流控在细胞培养和药物开发方面的成就。很明显，有两大趋势推动了微流体技术的发展：集成和编程。最初的趋势是整合，越来越多的研究不仅关注微流体的能力，还关注其在现实世界中的应用。根据这一概念，微流控被视为一个全面的技术中心，而不仅仅是一个芯片或一个平台。涉及大量过程，包括测试、孵化和准备。这种组合方法增强了微流体的整体功能，使其成为众多应用的重要仪器。随着微流体在功能和结构方面变得越来越复杂，集成编程不可避免地随之而来。编程通过促进药物开发和细胞培养周期，在推进生物学研究方面发挥着关键作用。这项技术使微流体领域取得了重大进展，可以更快、更精确地进行实验。未来，微流控技术有望被广泛采用，并显著改变众多领域。总体而言，集成和编程的融合正在推动微流控技术能力的完全渗透和实现。这为未来带来了巨大的潜力，微流体技术正在进步和改变不同的研究和实施领域。

5. 结论与展望

微流体代表了一个专注于操纵双相系统中微到亚纳升尺度液滴的领域，其前提是微纳米界面上复杂的固液相互作用。它包括在微小尺度上探索流体动力学，例如层流的行为，以及润湿性及其相关毛细管现象的检查。微纳表面研究的最新突破，包括微纳结构的精确制造、生物纳米技术的集成以及制备技术的改进，促进了微流控器件在润湿性驱动的系统中的运行，可在开放和封闭配置下使用。这些进步在药物合成和细胞培养领域产生了广阔的应用，一些创新已经转化为有形产品。这种从概念框架到实际实施的演变强调了润湿性研究在微流体技术进步中的关键作用。尽管取得了这些进展，但微纳领域内小尺度流体动力学的研究仍然是一个进展有限的领域。在宏观层面上持续存在的基本流体挑战反映在微流体环境中，其中层流和液滴行为等现象主要通过经验方法而不是计算建模进行探索。这呈现出一种二分法：虽然微流控平台是面向用户的，但它们的制备工作错综复杂，实验结果和理论模型之间存在明显的差异。为了克服这一挑战，微流控系统的发展轨迹有望从表面工程转向全面的计算建模。这种转变有望释放微流体的全部潜力，弥合理论与实验的鸿沟。计算模型的结合将增强微流体的内在价值，恢复润湿性研究作为该领域的中心主题。

总之，这篇综述首先讨论了润湿性的发展历史及其与微流控的密切关系。然后介绍了微流控的基本概念，包括微流控系统中的基本毛细管现象以及层流和液滴现象。该综述还涵盖了微流控的实施方法，特别关注润湿性在系统设计和液滴操作中的作用。此外，该综述还展示了微流体技术在医学和生物学领域的精确应用，说明了这一创新在这些领域的进展和可能性。本综述的目的是通过展示润湿性和微流体的重要性和潜在影响，激发对润湿性和微流体学的进一步研究。本文将润湿性的历史发展与微流控的概念和应用相结合，对该领域进行了全面的概述，并为这两个领域的研究人员提供了宝贵的资源。

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