微流控技术：你未曾听说过的下一项医学突破

• 微流控系统是处理极微量液体的装置。

• 流体通过比头发丝还细的通道流动，这些通道可由玻璃、聚合物、纸张或凝胶制成，微小的阀门可以开启或关闭流动。

• 类似结构在自然界中早已存在，例如输送养分的植物茎秆，以及整个人体。

• 目前人们正在研究微流控技术，因为其潜在应用可能对医学领域产生突破性影响。

• 例如，它们可以以可植入装置的形式使用，直接将药物泵入肿瘤。

提到微纳技术，你可能会想到手机之类的小型电子设备、微型机器人或微芯片。但新冠病毒（COVID-19）检测——已被证明对控制疫情至关重要——同样属于微型化技术的一种。许多新冠检测能在数小时内出结果，无需将样本送往实验室，而这些检测中大多数采用一种称为微流控的方法。

我是一名生物工程教授，我的研究涉及微流控技术。从妊娠检测、血糖试纸到喷墨打印机，再到基因检测，都依赖于微流控技术。这项技术许多人并未意识到，却无处不在，对现代世界的许多运转环节至关重要。

什么是微流控技术？

微流控系统是指任何处理极微量液体的装置。流体通过比头发丝还细的通道流动，微小的阀门可以开启和关闭流动。这些通道由玻璃、聚合物、纸张或凝胶等材料制成。移动流体的一种方式是使用机械泵；另一种方式是利用某些材料的表面电荷；还有一种方式是利用所谓的毛细作用——更常被称为芯吸（wicking）。芯吸是指液体内储存的能量推动液体穿过狭窄空间的过程。某些材料的表面电荷；还有一种方式是利用所谓的毛细作用——更常被称为芯吸。芯吸是指液体内储存的能量推动液体穿过狭窄空间。

有色液体从左下方进入，尽管流经同一条通道并从右上方流出，但由于层流作用，它们仍基本保持未混合状态。Image: Greg Cooksey 和 Albert Folch

在微小尺度下，流体的行为有违直觉。请不要想象花园水管或淋浴喷头中湍急、混乱的水流。相反，在微通道的狭小空间内，水流异常稳定。流体沿通道以有序的平行流束移动——称为层流。层流是微流控系统的奇妙特性之一。层流中的流体和颗粒遵循可通过数学方法预测的路径，这对精密工程和医疗器械设计而言不可或缺。

这些过程令研究人员深受启发，并且在自然界中已存在了极其漫长的时间。植物利用毛细作用将养分从根部输送至最高的枝干，这一原理启发了可自主供能的微流控电路。化学家模仿雨滴的物理特性，设计出可将样本分割成数百万个液滴并以极高速度进行分析的装置。每个液滴本质上都是一个微型化学实验室，使化学家得以研究生物分子的演化，并进行超快速基因分析等工作。

最后，人体的每一处角落都具有微流控特性。若没有错综复杂的毛细血管将食物、氧气和信号分子输送至每一个细胞，我们便无法诞生或维持正常功能。

微小技术的益处

与微电子学类似，尺寸是微流控技术的关键。

随着组件不断缩小，装置可以利用微小尺度下液体的特殊性质，能够运行得更快、效率更高，且制造成本更低。微流控技术的革命一直在默默地依托其电子学同类技术而发展。

血糖试纸是微流控装置，只需极少量血液即可测量血糖Image: Albert Folch，CC BY-ND

微流控装置的另一大优势在于，它们只需极少量液体，因此可以做得很小。美国国家航空航天局（NASA）长期以来一直考虑将微流控分析仪用于其火星车。珍贵液体（例如人血）的分析也受益于仅需少量样本即可进行检测的能力。例如，血糖仪便是微流控仪器，只需一滴血即可测量糖尿病患者的血糖。

微流控技术在科技、生物学和医学中的应用

你在日常生活中很可能经常使用微流控技术。喷墨打印机喷出微小的墨滴。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依据微流控原理流动。哮喘患者使用的雾化器会喷出微小药物液滴形成的雾气。妊娠检测则依赖尿液在微流控纸条内的流动。

微通道中的三个微型阀门。通向橙色填充通道的第一个和第三个阀门处于关闭状态，中间的阀门处于开启状态。Image: Greg Cooksey 和 Albert Folch

在科学研究中，微流控技术可将药物、营养物质或任何液体精确引导至生物体的特定部位，从而更精准地模拟生物过程。

例如，研究人员曾将蠕虫困于通道中，并用气味对其进行刺激，以研究神经回路。另一团队则将营养物质引导至植物根部的特定区域，以观察其对生长化学物质的不同反应。其他研究小组设计出微流控捕获装置，可物理性地从血液中捕获罕见肿瘤细胞。大量微流控基因芯片使人们能够快速对人类基因组进行测序，并使23andMe等个性化DNA检测成为现实。若没有微流控技术，这一切都不可能实现。

该装置为“芯片肿瘤”，每个孔中含有不同药物，药物被泵送至中心位置，肿瘤样本即放置于此。Image: Adan Rodriguez 和 Albert Folch，CC BY-ND

微流控技术的未来

微流控技术将对推动医学迈入一个快速、可负担的新时代发挥关键作用。可测量汗液中物质的可穿戴设备用于运动监测，以及可在局部向患者肿瘤递送抗癌药物的植入式装置是生物医学微流控领域的部分前沿方向。

研究人员正在开发复杂而引人入胜的微流控系统，称为器官芯片，旨在模拟人体生理的各个方面。在我自己的实验室以及世界各地的其他实验室中，研究团队正在开发“芯片肿瘤”平台，以更高效地测试抗癌药物。这些患者“化身”将使科学家能够以一种不涉及动物或人体试验相关成本、痛苦及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组织切分成数千块微小且规则的组织块，并使其保持存活。由于这些组织块体积微小，我们可以利用微流控技术将微小肿瘤组织块捕获于多个孔中，每个孔对应一种药物。这些样本保留了肿瘤适宜的细胞环境，使我们能够更准确地预测某种药物对特定个体的作用效果。

设想一下：你去看医生，进行活检取样，而借助我们的微流控装置，医生可以在一周之内判断出哪种药物组合最有效于切除你的肿瘤。这仍属于未来，但我们确知的是，未来将是微流控的时代。