微流控技术在开放系统中使用液滴使化学和生物学小型化

开放式液滴微流体系统在开放环境中操纵皮升至微升级的液滴。它们将传统基于液滴的微流体提供的分区和控制与开放式微流体的可访问性和易用性相结合，为组合反应、液滴分析和细胞培养等应用带来了独特的优势。开放系统提供对液滴的直接访问，并允许在系统内按需操纵液滴，而不需要泵或管，这使得生物学家无需复杂的设置即可访问这些系统。此外，这些系统可以通过简单的制造和组装步骤生产，从而实现大规模制造，并将该方法转化为临床研究。本综述介绍了不同类型的开放式液滴微流体系统，介绍了这些系统所利用的物理概念，并重点介绍了关键应用。

开放式液滴微流体系统利用润湿、毛细管力或微尺度几何形状（例如通道或微结构表面）等特性，在开放环境中操纵皮升至微升大小的液滴。在这些系统中，微流体系统的至少一个组件（即地板、天花板或墙壁）通常通过一个或多个空气-液体或液体-液体界面暴露于外部环境。

这一领域的研究是多学科的；该过程由分析化学家和工程师发起，作为在开放环境中操纵小体积液体的一种方法。所需的小体积使这些方法适用于使用稀有细胞类型或昂贵试剂等珍贵样本的应用。此外，这些小型化技术提供了多功能性，这对许多应用都很重要，如护理点和家庭样本分析，同时也使研究人员能够研究复杂的生物过程。在过去的十年里，这种小型化技术已经发展并扩展到化学和生物学的众多应用中。开放液滴微流体的概念是从开放微流体和开放空间微流体的一般领域发展而来的，这些领域在之前的书籍和评论中都有涉及。“开放微流体”和“开放空间微流体”这两个术语最初是由不同的研究小组提出的，现在这些术语经常互换使用；两者都是指使用具有微米（亚毫米）尺度上的至少一个维度并且一侧或侧面暴露于外部世界的通道或微结构的系统。此外，开放液滴微流体的许多概念（如液滴实验的划分和液滴的操纵）都是从封闭通道液滴微流控系统数十年的工作中发展而来的。

图1：封闭和开放通道液滴微流体系统的比较。

开放式液滴微流体系统的例子有自由式流体、液滴微阵列、悬滴、悬浮堆叠、声电泳液滴打印、开放毛细管流中的液滴、排液液液滴、开放环境中的磁珠嵌入液滴和开放式数字微流体。然而，开放式数字微流体，其中离散液滴使用电极在表面上移动，将不在本综述中涉及，因为它在其他综述文章中已被广泛涉及；我们注意到数字微流体有时被称为电介质电润湿（EWOD），但在这里我们使用更通用的术语数字微流体，因为并非所有数字微流体系统都涉及EWOD机制。

图2：作用在液滴界面上的力。

图3：液滴操作示例。

图4：用于合成和组合反应的开放液滴微流体。

开放系统在生物学和化学研究中比封闭系统具有许多优势，包括可访问性、易于制造和易于使用。开放性提供了对液滴的直接访问，并实现了液滴操作，如检索、分类和提取。尽管封闭液滴微流体系统和数字微流体系统通常变得更加复杂，但开放液滴微流控系统通常采取相反的方法，通过使用毛细管等被动力简化复杂任务和功能的机制。

本综述旨在通过广泛介绍所做的工作并提供开放液滴微流体系统的流体机制以及生化和化学应用的详细信息来介绍这一领域。我们首先描述了不同类型的系统（静态和动态）以及开放式液滴微流体系统的优缺点。然后，我们介绍了开放液滴微流体系统的物理原理和理论、各种系统配置及其应用示例。最后，我们对开放液滴微流体领域的潜在未来应用和方向进行了展望。

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