微流控技术：您从未听说过的下一个医学突破

什么是微流控？

微流控系统是处理极少量液体的任何设备。流体穿过比头发还细的通道，微小的阀门可以打开和关闭流体。这些通道由玻璃、聚合物、纸或凝胶等材料制成。移动流体的一种方法是使用机械泵；另一种方法是利用某些材料的表面电荷；另一种方法是使用所谓的毛细作用——通常称为芯吸作用。芯吸作用是储存在液体中的能量推动液体穿过狭窄空间的过程。

有色液体从左下方进入，但由于层流，即使它们通过一个单一通道并从右上方流出，也保持相对未混合。

图片：Greg Cooksey 和 Albert Folch

在小尺度上，流体以不直观的方式表现。想象一下从花园软管或淋浴喷头中流出的湍流、混乱的水流。相反，在微通道的收缩体积中，流动异常稳定。流体以有组织的平行流（称为层流）沿通道向下移动。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——对研究人员来说是鼓舞人心的——已经在自然界中存在了亿万年。植物利用毛细血管将养分从根部输送到最高的树枝，这是自主供电的微流控回路的灵感来源。模仿雨滴的物理特性，化学家设计了一种装置，可以将样品分解成数百万个液滴，并以令人眼花缭乱的速度对其进行分析。每个液滴本质上都是一个微型化学实验室，化学家可以通过它研究生物分子的进化并进行超快速遗传分析等。

最后，人体的每个角落都是微流控。如果没有错综复杂的毛细血管，将食物、氧气和信号分子带到每个细胞，我们就无法出生或运作。

微型技术的好处

就像微电子学一样，尺寸是微流控的关键。

随着组件变得越来越小，设备可以在微小尺度上依赖液体的奇怪特性，可以更快、更有效地运行并且制造成本更低。微流控革命一直在默默地捎带电子革命。

葡萄糖条是一种微流控装置，只需要极少量的血液来测量血糖

图片：Albert Folch，CC BY-ND

微流控设备的另一个主要好处是它们只需要非常少量的液体，因此尺寸很小。美国宇航局长期以来一直在考虑为其火星探测器安装微流控分析仪。对珍贵液体（如人血）的分析也受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控

您可能在生活中经常使用微流控。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聚合物。钢笔和圆珠笔中的墨水通过微流控原理流动。用于哮喘患者的雾化器喷出微小的药滴雾。妊娠试验依赖于微流控纸条内的尿液流动。

在科学研究中，微流控技术可以将药物、营养物质或任何流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并用气味刺激它们以了解神经回路。另一个团队将营养物质导向植物根部的特定区域，以观察对生长化学物质的不同反应。其他团体设计了微流控陷阱，可以从血液中物理捕获罕见的肿瘤细胞。大量微流控基因芯片提供了快速对人类基因组进行测序的能力，并使23andMe等个性化 DNA 测试成为现实。如果没有微流控技术，这一切都是不可能的。

该装置是“芯片上的肿瘤”，每个孔中都含有不同的药物，这些药物被泵送到放置肿瘤样本的中心。

图片：Adan Rodriguez 和 Albert Folch，CC BY-ND

微流控的未来

微流控技术对于将医学带入一个新的、快节奏的、负担得起的时代至关重要。测量汗液中物质以进行运动监测的可穿戴设备和将抗癌药物局部输送到患者肿瘤的可植入设备是生物医学微流控的下一个前沿领域。

研究人员正在开发复杂、引人入胜的微流控系统，称为芯片器官，旨在模拟人体生理学的各个方面。在我自己的实验室和世界各地的其他实验室，团队正在开发片上肿瘤平台，以更有效地测试抗癌药物。这些患者化身将使科学家能够以不涉及与动物或人类测试相关的成本、痛苦和伦理问题的方式测试新疗法。在我的实验室中，我们首先将癌症患者的肿瘤活检解剖成数千个我们保持存活的微观规则碎片。凭借它们的小尺寸，我们可以使用微流控技术将微小的肿瘤碎片捕获在多个孔中，每药一口井。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的作用。

想象一下去看医生，提取活检，在不到一周的时间内，通过使用我们的微流控设备，医生可以找出哪种药物混合物最适合去除您的肿瘤。那仍然是未来，但我们所知道的是，未来将是微流控。