原创 微流控:神奇的微流控技术将是未来医疗的前沿领域

2022-12-5 10:44 188 0 分类: 医疗电子

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当你想到微或纳米技术时,你可能会想到小型电子产品,如手机、微型机器人或微芯片。但COVID-19检测——已被证明对控制大流行至关重要——也是一种小型化技术。许多COVID-19检测可以在数小时内得出结果,而不需要将样本送往实验室,大多数这些检测使用一种称为微流控的方法。

从妊娠检测到葡萄糖试纸,从喷墨打印机到基因检测,一切都依赖于微流控。很多人都不知道这项技术,它无处不在,对现代世界运转的许多事物至关重要。

 

什么是微流?

 

微流系统是处理微量液体的任何设备。液体通过比头发还细的通道流动,微小的阀门可以控制流体的流动。这些通道由玻璃、聚合物、纸或凝胶等材料制成。移动液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;还有一种方法是使用所谓的毛细管作用——更常见的说法是吸干。吸液是液体中储存的能量推动液体通过狭窄空间的过程。

 

汶颢微流控芯片加工定制

彩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。

在小尺度下,流体的行为是不直观的。不要想象从花园水管或你的莲蓬头流出的汹涌、混乱的水流。相反,在微通道狭窄的体积中,流动异常稳定。流体沿着通道以有组织的平行流流动,称为层流。层流是微流体系统的一大奇迹。层流中的流体和粒子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,它们在自然界中已经存在了亿万年。植物利用毛细作用将营养物质从根部输送到最高的枝干,这是自主供电的微流体电路的灵感来源。化学家们模仿雨滴的物理特性,设计了一种装置,可以将样品分解成数百万个液滴,并以令人目眩的速度分析它们。每个液滴本质上都是一个微小的化学实验室,化学家可以在这里研究生物分子的进化,进行超高速的基因分析等。

最后,人体的每个角落都是微流体。如果没有复杂的毛细血管将食物、氧气和信号分子输送到每个细胞,我们就无法出生或正常工作。

 

 

微型科技的好处

 

就像微电子学一样,尺寸是微流的关键。随着部件越来越小,设备可以依靠液体在微小尺度下的奇特特性,运行速度更快、效率更高,制造成本也更低。微流革命一直在默默地与电子流体革命相结合。

微流装置的另一个主要优点是,它们只需要非常少量的液体,因此体积可以非常小。长期以来,美国宇航局一直在考虑为其火星探测器配备微流体分析仪。珍贵液体(如人血)的分析也得益于使用小样本的能力。例如,血糖仪是一种微流体仪器,只需要一滴血就可以测量糖尿病患者的血糖。

葡萄糖试纸是一种微流控设备,只需要极少量的血液就能测量血糖。

 

 

技术、生物和医学中的微流体学


你很有可能在生活中经常使用微流体。喷墨打印机会喷出微小的墨滴。3D打印机通过微流控喷嘴挤出熔融的聚合物。自来水笔和圆珠笔中的墨水通过微流体原理流动。哮喘患者用的喷雾器喷洒的是微小的药滴。怀孕测试依赖于微流控纸条中的尿流。在科学研究中,微流体可以将药物、营养素或任何液体引导到生物体的非常特定的部分,以更精确地模拟生物过程。


一个微通道里有三个微阀。通向橙色通道的第一个和第三个阀门被关闭了。中间的阀门是打开的。

例如,研究人员将蠕虫困在通道中,用气味刺激它们,以了解神经回路。另一个研究小组将营养物质定向到植物根部的特定区域,以观察对生长化学物质的不同反应。其他研究小组设计了微流体陷阱,从血液中物理捕获罕见的肿瘤细胞。大量的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。如果没有微流控系统,这一切都不可能实现。


这种设备是肿瘤芯片”,每一个孔都含有不同的药物,这些药物被泵入肿瘤样本放置的中心。

 

微流控技术的未来

 

微流将是引领医学进入一个新的、快节奏的、负担得起的时代的关键。可穿戴设备可以测量汗液中的物质,用于运动监测,可植入设备可以局部将癌症药物输送到患者的肿瘤,这些都是生物医学微流体的下一个前沿领域。

研究人员正在开发复杂而迷人的微流系统,称为芯片上的器官,旨在模拟人类生理的各个方面。在我自己的实验室和世界各地的其他实验室中,团队正在开发芯片肿瘤平台,以更有效地测试癌症药物。这些病人化身将使科学家能够以一种不需要在动物或人类身上进行试验的成本、痛苦和伦理问题的方式测试新的治疗方法。在我的实验室里,我们首先将癌症患者的肿瘤活组织切片分解成数千个显微镜下的常规切片,让它们存活下来。由于其体积小,我们可以使用微流体将微小的肿瘤碎片困在多个井中,每种药物一个井。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群的作用。

想象一下,去看医生,取出一个活组织切片,在不到一周的时间里,通过使用我们的微流体设备,医生就能找出哪种鸡尾酒药物对移除你的肿瘤最有效。这仍未实现的事,但我们知道的是,未来将是微流控的时代

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