也许你对 “微流控” 这三个字并不熟悉，但提到微流控技术的应用，或许你并不陌生，例如基因检测，其中肿瘤早筛是基因检测最常见的应用场景之一。
微流控技术能够进行精准的单细胞测序，为恶性肿瘤早筛提供关键的技术支撑。癌症早期，病人血液中会有变异细胞，但数量极少， 100 万个细胞里可能只有 10 多个癌细胞。微流控技术可以通过单细胞测序，精准地标记异常细胞，帮助确诊早期癌症。
从技术上说，单细胞测序较普遍的两条路线，一种是微孔法，即微孔板技术平台利用大量的微孔完成细胞的捕获，随后进行单细胞转录组文库构建。另一种则是基于微流控技术的液滴法，基于流体力学原理实现细胞分选，适用于高通量、大规模的单细胞研究。目前市场上占有绝大部分市场份额的 10X Genomics ChromiumTM 平台就是利用该原理进行单细胞分选。
图丨Millifluidics, microfluidics, and nanofluidics: manipulating fluids at varying length scales综述概要（来源：陈东老师，络绎知图整理）
近日，浙江大学能源工程学院的研究员陈东课题组、美国三院院士、哈佛大学教授 David A. Weitz 教授课题组和中科院物理所叶方富研究员课题组合作，在《今日材料纳米》 (Materials Today Nano) 上发表名为 Millifluidics, microfluidics, and nanofluidics: manipulating fluids at varying length scales （《毫流控、微流控和纳流控：在多尺度上的流体操控》）综述文章，重点关注从毫米到纳米尺度上流体的流动特性，阐述多尺度上流体运动的共性和差异，总结了对应流体体系即毫流控、微流控和纳流控器件的制备技术，并进一步介绍了毫流控、微流控和纳流控体系在材料科学、药物筛选、生物医学研究和仿生传感等领域应用，并展望了毫流控、微流控和纳流控体系的未来发展趋势和面临的挑战与机遇。
络绎学术 Online 直播第 104 期，邀请浙江大学能源工程学院的研究员陈东，做了题为“微流控：精准调控滴液和颗粒的技术平台”的直播分享，围绕该论文，介绍并探讨了微流控技术在生命科学、生物技术等领域的应用，以及国内微流控技术的发展前景。
以下为直播内容回顾及延伸解读。
一、微流控两大优势：精准控制和快速混合
1. 什么是微流控技术
微流控 ( microfluidics ) 是一种以在微纳米尺度空间中对流体进行精确操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能诸如样品制备、反应、分离和检测等微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成，是一个涉及了工程学、物理学、化学、微加工和生物工程等领域的交叉学科技术。
图丨玻璃管微流控器件（来源：陈东老师，络绎知图整理）
更具体地来说，微流控是系统的科学技术，它使用几十到几百微米尺度的管道，处理或操控很少量的（ 10~-9 至 10~-18 升， 1 立方毫米至 1 立方微米）流体。
2. 精确控制：在微尺度上设计液滴形态
液滴微流控技术是在微尺度下利用连续相的流体剪切力来破坏离散相的表面张力，将离散相分割成纳升级甚至皮升级液滴的一种技术。作为一种在封闭的微通道网络中产生和操控微小体积液滴的科学与技术，液滴微流控 ( droplet-based microfluidics ) 具有如下优点：
一是重现性好：每个微液滴都是一个单独的反应单元，极大增强了液滴中样品的抗干扰性，不易发生交叉污染，因而在一定程度上提高了检测分析的重现性；
二是混合速度快：在微通道尺寸小至微米级时，通道内的连续流体将呈层流状态，难以实现快速混匀，但液滴却能在蜿蜒的通道中实现快速混匀；
三是样品与试剂的消耗量少：液滴的体积通常可达到纳升或皮升级别，在保证样品浓度不变的情况下，其不用像连续流那样需要使样品或试剂充满整个通道而造成浪费；
四是易于精确操控：通道内液滴的运输、融合、分裂等都能通过程序进行精确控制。
图丨软光刻技术制备 PDMS 微流控器件（来源：陈东老师，络绎知图整理）
3. 快速混合：纳米级工程粒子形态
当流体的特征尺度不同时，流动特性往往会发生很大变化。在宏观尺度上，流体内部易产生混沌无规的湍流；在微观尺度上，流体流动则以层流为主，其流动特性可用连续性动力学理论进行预测；在纳米尺度上，纳米通道的特征尺度趋近于分子间相互作用力的力程，从而引发了许多独特的流体现象。
图丨颜色和形状的协同响应（来源：陈东老师，络绎知图整理）
图丨微流体通道中的快速混合（来源：陈东老师，络绎知图整理）
4. 多尺度流控体系中流体的物理特性
毫流控、微流控和纳流控分别指通道的特征长度处于 1 mm - 10 mm 、 100 nm - 1 mm 和小于 100 nm 范围的流体体系。一般情况下，水在毫流控、微流控和纳米流控通道中流体本质上均处于层流状态。在毫流控和微流控中，流体运动主要受到其内部的粘滞力和惯性力，界面上的界面张力和毛细作用力的影响。
而在纳米通道中，通道尺寸小于 100 nm （纳米），由于与分子尺寸相当，分子间相互作用力如静电力、范德华力、水合作用力和空间排斥力等则起到主导作用。了解通道中流体运动和受力情况，对流体的精确控制和流控器件的结构功能设计等具有至关重要的作用 [1] 。
二、流控器件的制备技术和应用场景
得益于微纳加工技术的发展和各种新型制备技术的诞生，目前流控器件的制备在分辨率、成本和高通量制造等方面得到极大改善。
微型流控器件的主要构件，如通道、过滤器、阀门、搅拌器和泵浦等，可作为标准模块集成到单个芯片上，精巧度和便携性大大提高，也为流控器件的灵活设计和应用推广提供了广阔的空间 [1] 。
1. 尺度大小决定制备方法
根据器件的尺度不同，流控体系的制备技术也不尽相同，如针对毫流控和微流控器件制备方法主要分为增材和非增材制造技术，针对纳流控器件制备主要为自上而下和自下而上方法等。
图丨毫流控、微流控和纳流控装置的制造方法（来源：陈东老师，络绎知图整理）
最初的微流控技术被用于分析。微流控为分析提供了许多有用的功能：使用非常少的样本和试剂做出高精度和高敏感度的分离和检测，费用低，分析时间短，分析设备的印记小。微流控既利用了它最明显的特征 —— 尺寸小，也利用了不太明显的微通道流体的特点，比如层流。它本质上提供了在空间和时间上集中控制分子的能力。
由于毫流控、微流控和纳流控通道中流体特性差异，它们的应用和发展也呈现出不同的趋势。毫流控器件的毫米级通道对堵塞和污垢的敏感性较低，有助于工业规模化生产。
毫流控在合成效率和产品质量之间提供了良好的平衡，弥补了实验室合成和工业生产之间的差距。通过连续式反应流或离散式液滴反应器，可实现通道内物质的实时检测和参数优化，用于纳米材料的优质制造和高通量药物筛选等 [1] 。
当下，毫流控研究主要致力于将多通道投料、实时检测、自动控制和高通量等生产特征整合，通过精细化网络结构设计，搭建多功能自反馈平台，以满足实际生产需求，实现产物的优质多样性制造。微流控由于其优异的微米级流体操纵能力，已被广泛应用于材料科学、化学、细胞生物学和医学等多个学科。随着技术的不断发展，微流控器件为基础科学、创新技术和新应用提供了广阔的平台。
图丨毫流控器件的制造和应用（来源：陈东老师，络绎知图整理）
2. 主动式和被动式策略
目前提高流体混合速率的策略主要分为被动式和主动式。被动式混合是通过设计具有特定几何形状的流体通道，触发局域混沌湍流以加速混合，如之字形、漩涡构型、分支结构和蜿蜒形。
主动式混合则是在微流器件中引入外源驱动微混合器，如压电混合器、电动混合器和磁力驱动混合器等。微流控器件作为“乳液设计器”可将不互溶液体混合，在液滴生成和构建多级乳液方面具有独特优势，可制备包括双乳、三乳和四乳等体积和核液滴数量精准可调的多级乳液结构。
另外，微通道每个液滴可作为单个细胞的理想容器，为单细胞分析提供强大平台。通过引入介电泳、磁力、光力和声波等，可实现目标粒子或细胞的高效分选。当集成液滴生成、合并、混合、细胞孵育和观测等多个模块时，可用于细胞毒性等高通量筛查。通过进一步构建仿生器官微流芯片，还可还原人体内组织或器官的微结构和微环境，成功再现器官水平的代谢和免疫反应，用于临床精准医疗。
图丨微流控在医学检测中的应用（来源：陈东老师，络绎知图整理）
3. 流控技术的应用场景
在日常生活中，微流控即时检测 ( POCTs ) 装置凭借其成本低廉、灵敏度高、便携性强、检测快速等优势，广泛应用于公共健康检测，如 HIV 诊断、血液分析和血糖监测等。在当前冠状病毒病 COVID-19 大流行的诊断， POCTs 同样发挥着重要的作用。纳流控的快速发展得益于纳米制造技术的发展和新型纳米材料的发现，如碳纳米管、氮化硼、石墨烯、 MoS2 和 MXenes 等 [1] 。
纳流控处于纳米特征尺度上，主要由分子间的作用力主导，这也赋予了它极具价值的应用前景，如海水淡化、能量收集、单分子分析和纳米流体二极管和仿生神传导经系统等，以及新奇丰富的微观流体现象。
例如当水通过半径为 15~50 nm 的碳纳米管时，实测水流速率比连续动力学模型推算的预测值高出 4~5 个数量级，一个可能解释是其无摩擦的通道表面导致了超快水传输现象的产生。然而，纳米通道中超快水输运等现象的潜在机制尚无定论，有待实验和模拟的进一步揭示。
现今，微流控技术在很多交叉学科领域得到了较为广泛应用，研究方向包括体外实时诊断、器官芯片、细胞操控芯片、分子生物学应用、食品安全检测等，部分研究已经实现了产业化。
三、微流控助力生物领域发展
当被问及微流控芯片的价格问题，陈东教授说：“微流控芯片售价不高，单价一两块，主要是设计，即与芯片配套的技术板。通常情况下，研发公司会把器件和技术打包卖，以增加其市场价值。”
图丨微流控应用产业（来源：陈东老师，络绎知图整理）
谈及微流控技术的应用和商业化前景，陈东说：“与其说微流控行业的未来，不如说是生物行业的未来， 2000 年初我上大学那会儿，大家都说 21 世纪是生物和生命的世纪，的确是这样。中国在生物领域相对于国外来说发展滞后，而美国在新药开发方面发展先进，不过中国这几年的发展迅速，中美差距越来越小，国内生物领域的就业机会越来越多，我们在发展上会迎头赶上。”
“随着越来越多的资金流向生物科技，与微流控相关产业结构得到调整，该技术在未来会有广阔的发展空间。就拿新药开发来说，新药开发项目的流通性很好，从动物实验到临床一期，均能打包出售。另外，根据相关政策，过了临床二期的药物可以在港股上市，这给了药物研发很大助力。未来，与微流控相关的生物医药行业，会获得长足发展，有广阔的就业空间。”
四、结论
毫流控、微流控和纳流控体系的研究跨越了学术研究到工业应用，并随着时间的持续不断发展。毫流控、微流控和纳流控体系是多学科交叉研究的强大平台，在未来的发展中将发挥越来越重要的作用。主要表现为：
其一，毫流控将更广泛地应用于微反应等工业规模生产；
其二，微流体技术将在人类健康医疗方面有更重要的应用；
其三，纳米流体领域将更多地关注与新型纳米材料和新现象相关的基础研究。
目前我国微流控技术处于世界领先水平，特别在微化工领域，微流控技术取得了良好的发展。虽然国外微流控技术发展早，但现在国内很多高校和科研机构可以做相关研究，例如清华大学、浙江大学和四川大学等高校。这源于国内对人才的重视和引进，陈东老师表示，下一步是利用该技术平台，扩展更多的应用场景，做以前做不到的事情。
参考：
1. L. Chen, C. Yang, Y. Xiao, X. Yan, L. Hu, M. Eggersdorfer, D. Chen*, David A. Weitz*, F. Ye*, Milli-, Micro- and Nanofluidics: Manipulating Fluids at Varying Length Scales, Materials Today Nano, DOI: 10.1016 / j.mtnano. 2021 . 100136 , ( 2021 ) .
2. https://person.zju.edu.cn/chen_dong#0
【络绎知图研究系列】