摘 要 微流控芯片近年來在生命科學、分析化學、食品科學、環(huán)境科學等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用。 傳統(tǒng)的微流控芯片系統(tǒng)是高度集成化的微納尺度流體綜合處理和分析系統(tǒng), 其設計和加工過程較為復雜, 且需要專業(yè)的微加工設備和技術(shù)人員。 借鑒于集成電路和微機電系統(tǒng)在模塊化方面的成功經(jīng)驗, 近年來, 模塊化微流控系統(tǒng)的研究和應用日益增長, 模塊化微流控系統(tǒng)通過將單一液體操控功能的模塊進行重新組合后實現(xiàn)復雜的微流體操控功能。 與集成化微流控系統(tǒng)相比, 模塊化微流控系統(tǒng)的優(yōu)勢在于組合靈活、適應性強, 且可以通過批量生產(chǎn)顯著降低了微流控芯片的加工和使用成本, 使用者可根據(jù)實驗需求快速拼裝得到能夠滿足其應用需求的微流控芯片系統(tǒng)。 模塊化微流控系統(tǒng)的提出為微流控芯片設計、加工技術(shù)的標準化提供了可行性較高的實現(xiàn)途徑, 同時也為微流控芯片未來大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和應用奠定了基礎(chǔ)。 目前, 模塊化微流控芯片的發(fā)展還處在初級階段, 各類材料、加工方法、接口技術(shù)相繼出現(xiàn), 還遠未形成標準化的模塊化微流控技術(shù)體系。 本文介紹了現(xiàn)階段各類模塊化微流控芯片的最新研究概況以及模塊化微流控芯片在生物醫(yī)學等領(lǐng)域的應用情況, 并對未來模塊化微流控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行了展望。

引 言

微流控技術(shù)出現(xiàn)于 20 世紀 90 年代, 經(jīng)過近三十年的發(fā)展, 已在生命科學、醫(yī)學、食品工程、環(huán)境工程等領(lǐng)域廣泛應用。 微流控技術(shù)最早發(fā)源于微機電系統(tǒng)(MEMS), 用于微機電系統(tǒng)中對微米和納米尺度上的流體進行操控。 微流控系統(tǒng)在反應物/ 能量消耗、檢測精度、檢測靈敏度等方面擁有獨特優(yōu)勢, 20 世紀 90 年代中后期逐漸從微機電系統(tǒng)領(lǐng)域中獨立出來, 成為一個多學科交叉的新興研究領(lǐng)域。

早期微流控系統(tǒng)使用的微納加工技術(shù)直接繼承于微機電系統(tǒng)的加工技術(shù), 大多采用了微機電系統(tǒng)和集成電路(IC)加工領(lǐng)域常見的光刻、化學腐蝕、金屬濺射等技術(shù), 將微流道等結(jié)構(gòu)加工在玻璃和硅片為基底的材料上。 伴隨微流控技術(shù)的發(fā)展, 各種新加工技術(shù)以及新材料不斷出現(xiàn), 目前主流微流控芯片普遍采用軟光刻、激光燒蝕、微納壓印、微注塑等加工技術(shù)。 各類聚合物材料也代替硅和玻璃材料成為微流控系統(tǒng)的主流基體材料。

在微流控系統(tǒng)的功能方面, 現(xiàn)有的微流控系統(tǒng)多是針對某項應用的要求(如細胞操控、DNA 測序等)而設計和制造的集成化系統(tǒng), 即從進樣到樣品處理、反應、分離等全部的操作都集中在一塊芯片中實現(xiàn)。 集成化的微流控芯片不僅具有流體操控機構(gòu), 有的還集成了電極、傳感器, 甚至電路。 集成化微流控系統(tǒng)的優(yōu)勢在于全自動化的液體處理和分析檢測, 實驗過程中無需人為操作。同時, 集成化微流控系統(tǒng)的缺點也很明顯, 首先, 集成化系統(tǒng)的適應性較低, 如實驗條件發(fā)生改變, 則需要對全部系統(tǒng)進行重新設計和加工;其次, 集成化微流控系統(tǒng)的技術(shù)門檻較高, 其設計和微加工操作常需要有經(jīng)驗的專業(yè)人員在超凈實驗室中完成, 很難由其最終使用者(生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域的研究者)自行設計和加工;最后, 目前各類集成化微流控系統(tǒng)設計和加工過程中使用的材料、微加工方法、流道結(jié)構(gòu)、流體進出接口等都明顯不同, 難以實現(xiàn)標準化, 非常不利于未來的產(chǎn)業(yè)化應用需求。

微流控技術(shù)脫胎于微機電系統(tǒng), 而微機電系統(tǒng)的設計理念和加工方法又多源自集成電路技術(shù), 這就很容易聯(lián)想到可以將集成電路中普遍使用的模塊化方法應用于微流控系統(tǒng)的研究中。 模塊化微流控系統(tǒng)概念的提出最早可追溯到 2008 年, 目前對模塊化微流控系統(tǒng)尚無嚴格的定義, 本文所討論的模塊化微流控系統(tǒng)指的是通過對前期各類集成化微流控系統(tǒng)的功能分解, 將微流控系統(tǒng)的常見功能分解為多個只具有單一功能的芯片模塊, 根據(jù)應用需求, 將不同模塊進行排列組合, 實現(xiàn)復雜的微流體操控功能。相比于集成化微流控系統(tǒng), 模塊化微流控系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢:首先, 芯片模塊的設計和加工由相關(guān)專業(yè)人員實現(xiàn), 最終使用者只需通過簡單的拼接即可得到滿足其需要的微流控系統(tǒng), 顯著降低了微流控技術(shù)的使用門檻;其次, 由集成電路等領(lǐng)域的發(fā)展歷程可以預見, 模塊化非常有可能是微流控技術(shù)走向標準化、實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用的必經(jīng)之路, 通過大規(guī)模加工的標準化微流控模塊芯片實現(xiàn)高效、低成本的產(chǎn)業(yè)化應用。模塊化微流控系統(tǒng)的概念自提出以來就吸引了很多研究者的關(guān)注, 眾所周知, 模塊化的設計應用在大規(guī)模集成電路、微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域都已經(jīng)取得了顯著成就, 但在微流控系統(tǒng)的研究領(lǐng)域還處在發(fā)展的初級摸索階段。 到目前為止, 經(jīng)過近二十年的發(fā)展, 不同專業(yè)的研究者提出了各類不同的模塊劃分方法、加工技術(shù)、接口方法等, 相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量也呈逐年上升的趨勢, 如圖 1 所示。 在這些已經(jīng)開展的研究中, 比較具有典型代表性的模塊化微流控芯片系統(tǒng)在材料、加工工藝以及在生物、醫(yī)學等領(lǐng)域的應用研究情況如表 1 所示。 值得指出的是, 到目前為止, 模塊化微流控系統(tǒng)還遠未形成較為統(tǒng)一的設計和加工標準, 也沒有相關(guān)研究對目前模塊化微流控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行系統(tǒng)性梳理。

本文從模塊化微流控系統(tǒng)的材料、微加工技術(shù)、接口技術(shù)等方面的最新研究情況入手, 介紹了模塊化微流控系統(tǒng)在生命科學、醫(yī)學等領(lǐng)域的應用情況, 并對通過模塊化理念實現(xiàn)微流控技術(shù)的標準化和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的遠景進行了展望。

2 模塊化微流控系統(tǒng)的加工與接口技術(shù)

2. 1 模塊化微流控系統(tǒng)的模塊劃分與加工技術(shù)

模塊化微流控系統(tǒng)的概念自 2008 年出現(xiàn)以來, 經(jīng)過二十余年的發(fā)展, 出現(xiàn)了基于各種材料、各種模塊劃分方法和接口技術(shù)的模塊化微流控系統(tǒng)。 模塊化微流控系統(tǒng)理論也得到發(fā)展, 陸續(xù)出現(xiàn)了液體流路面包板(Fluid breadboard, FBB), 混合液體流路 (Mixed circuit board, MCB)、可組裝微流控模塊( Microfluidic assembly blocks, MABs)、 微流控芯片構(gòu)建模塊 ( microfluidics building blocks,MFBB)等。模塊化微流控系統(tǒng)研究的第一步是對大量微流控應用案例進行學習,在此基礎(chǔ)上合理劃分模塊芯片單元, 其代表有 Rhee、Yuen等對模塊的劃分方法。 其中, Rhee 等對模塊芯片單元的劃分如圖 2 所示, 包括各類常見的直線型、Y 型、T 型、十字型等形狀的流道以及混合流道、反應腔、培養(yǎng)腔、氣動閥門等模塊芯片。目前, 在模塊芯片單元的劃分和設計方面所做的基礎(chǔ)性研究還較少, 還需要充分考慮各類生命科學、醫(yī)學等應用領(lǐng)域的需求, 建立一套較為完整的模型庫。 模型庫應包括各類截面形狀和表面潤濕性能的流道, 各類具有混合、切分、篩選、過濾、液滴產(chǎn)生等特定功能的模塊芯片, 以及對液體進行主動操控的微泵、微閥等單元。

表 1 近年來模塊化微流控系統(tǒng)的研究概況

為了實現(xiàn)特定的應用, 使用時必須對模塊芯片單元進行組合, 從模塊芯片單元的組合方法上, 模塊芯片單元間的相對位置分類可以歸納為層疊組合、并列組合、混合組合等方法。 圖 3 展示了既有層疊也有并列組合的模塊化微流控芯片系統(tǒng)。 模塊芯片單元的組合按照其連接方法可以分為以下3 類:(1)利用了樂高積木的概念, 搭建類似樂高積木的模塊化微流控系統(tǒng);(2)利用電路研究中面包板的概念, 將模塊與模塊之間的連接通過類似面包板的帶有數(shù)條液體通路的基板實現(xiàn);(3)利用類似拼圖的原理, 通過模塊芯片間物理結(jié)構(gòu)的互相咬合鎖緊, 實現(xiàn)模塊芯片的穩(wěn)固連接。

模塊化微流控芯片的加工方法多繼承自傳統(tǒng)的微流控芯片加工方法, 根據(jù)所使用的基體材料的不同, 常見的基于玻璃和硅材料的模塊化微流控系統(tǒng)多采用光刻的方法進行加工, 而基于聚合物材料(常見材料有 PMMA、PDMS、PC 等)的模塊化微流控系統(tǒng)的加工方法種類較多, 常見的有注射成型、激光燒蝕、模塑成型、微納壓印、3D 打印等。 其中, 基于 3D 打印的微流控芯片技術(shù)代表了未來模塊化微流控系統(tǒng)的發(fā)展方向, 芯片加工過程不僅靈活、快捷, 還可以在打印過程中完成對流體通道的封閉, 省去了傳統(tǒng)微流控芯片加工過程中的鍵合環(huán)節(jié), 大幅提高了加工效率。 然而, 3D 打印的缺點在于材料的選擇性非常有限, 對于 FDM 方法, 集中于 ABS、PLA 等熱塑性塑料; 對于光固化打印方法, 則集中于各類聚合物光敏材料。

圖 3 具有 3 層結(jié)構(gòu)的具有類似樂高積木的拼裝結(jié)構(gòu)微流控系統(tǒng)

2. 2 模塊化微流控系統(tǒng)的接口技術(shù)

集成化微流控系統(tǒng)的流體進出接口較少, 且接口結(jié)構(gòu)較為簡單, 主要是為樣品進出芯片提供芯片與外接軟管之間的連接, 主要方法包括空心金屬管(適用于 PDMS 芯片)、魯爾接頭、O 形橡膠圈(配合鎖緊機構(gòu))等。 模塊化微流控系統(tǒng)中, 接口技術(shù)較為復雜, 其中不僅包括芯片與外接軟管(泵)之間的連接, 更為重要的是模塊芯片之間復雜且數(shù)量繁多的流體接口。

圖 4 磁性可逆的模塊化微流控芯片接口技術(shù)

由于微流道等微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)可以直接沿襲集成化微流控系統(tǒng)的加工技術(shù), 模塊化微流控系統(tǒng)對模塊芯片間接口具有較高要求:(1)連接快捷、高效, 多個接口串聯(lián)的情況下也需要保證在使用過程中不發(fā)生滲漏;(2)模塊芯片常反復拆裝, 要求連接必須是可逆的;(3)避免使用化學粘合劑或者復雜的鎖緊機構(gòu);(4)由于流道結(jié)構(gòu)變化對微流體的流動狀況影響明顯, 所以還需要保證接口處的流道結(jié)構(gòu)變化平緩,沒有急彎等結(jié)構(gòu), 避免經(jīng)過接口時打破微流體本身的流動狀態(tài)(如導致液滴融合、加速混合等)。

基于以上 4 項要求, 研究者進行了多種嘗試, 目前主要有磁性接口、魯爾接口[40]以及 O 形橡膠圈等接口技術(shù)。 其中, 磁性接口技術(shù)如圖 4 所示, 通磁性接口實現(xiàn)了模塊芯片間的連接, 其優(yōu)勢在于連接方便快捷、可逆性好。 然而, 磁性連接很難保證在通道內(nèi)高壓的情況下不出現(xiàn)滲漏。 基于O 形橡膠圈的芯片模塊間接口方法如圖 5 所示, 研究者直接使用了規(guī)模注塑加工的樂高積木, 通過微型銑刀在其表面加工了具有不同功能的流體通道, 構(gòu)成了模塊芯片單元, 在模塊芯片的通道連接處設置了 O 形橡膠圈, 用于流體通道的連接, 基于O 形橡膠圈連接方法簡單且可逆, 在模塊芯片單元間具有足夠的預緊力時能夠保證不發(fā)生滲漏, 但是在裝配和使用過程中如模塊間發(fā)生松動則很容易產(chǎn)生流體泄漏。

圖 5 基于 O 形橡膠圈的模塊間接口技術(shù)

魯爾接頭(Luer taper)是一種在醫(yī)療領(lǐng)域常見的微量流體接口體系, 有研究者將其連接原理移植到了模塊化微流控系統(tǒng)中模塊間的連接上, 基于魯爾接頭的連接通常應用于上下層疊模式的模塊芯片單元之間, 其螺紋連接可靠性很高, 極少滲漏。 然而, 魯爾接頭的結(jié)構(gòu)復雜, 難于加工, 在微流控芯片應用中通常需要通過 3D 打印或微注射成型等方法實現(xiàn)。值得指出的是, 在模塊化的微流控芯片中連接方法中, 基于 PDMS 材質(zhì)的模塊芯片間連接較為特殊, 由于 PDMS 材料本身密封性好, 經(jīng)常被用于制作密封件等材料, 所以基于 PDMS 材質(zhì)的模塊芯片間進行連接無需特殊接口結(jié)構(gòu)輔助, 在通道對準后,施加一定壓力, 即可實現(xiàn)流體的密封和導通。 對于低成本的模塊化微流控系統(tǒng), 在通道內(nèi)壓力不高的情況下, 甚至可以采用雙面膠進行流體管路間的連接。

3 模塊化微流控系統(tǒng)的應用

微流控技術(shù)在生命科學和醫(yī)學等領(lǐng)域取得了較為廣泛的應用, 而模塊化微流控系統(tǒng)的出現(xiàn)則進一步降低了微流控技術(shù)的使用門檻, 使越來越多的研究者可以利用微流控技術(shù)推動其研究的進展。 相比于集成化的微流控系統(tǒng), 單個模塊芯片的設計與加工較為簡單, 生命科學和醫(yī)學領(lǐng)域的研究者甚至可以通過常見的實驗設備完成芯片模塊的加工, 組裝后得到滿足其需求的微流控系統(tǒng)。

模塊化微流控系統(tǒng)在生命科學和醫(yī)學領(lǐng)域應用的常見技術(shù)路線:將傳統(tǒng)方法的各個實驗環(huán)節(jié)(如萃取、混合、離心、加熱等)利用微流控芯片模塊進行替代(如混合模塊、分離模塊、加熱模塊等), 串聯(lián)組合后, 即可通過模塊化微流控系統(tǒng)實現(xiàn)復雜的生命科學等實驗過程。 如 Millet 等將傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)純化操作轉(zhuǎn)移到模塊化微流控系統(tǒng)中進行實現(xiàn), 分別設計和加工了離子交換模塊、分子篩模塊和親和色譜模塊, 串聯(lián)后利用模塊化微流控系統(tǒng)實現(xiàn)了蛋白質(zhì)的純化。

近年來, 器官芯片的發(fā)展非常迅速, 在藥物篩選等應用領(lǐng)域具有重要研究價值, 在圖 6 的模塊化微流控系統(tǒng)中, 每一個模塊通過不同細胞的注入后分別進行培養(yǎng)形成了心臟、脂肪以及肝臟 3 種器官芯片模塊, 隨后將器官芯片模塊進行串聯(lián)組裝, 形成了一套較為完整的微觀生理系統(tǒng), 在實驗研究中, 同時觀測到了兩個串聯(lián)模擬心臟芯片中纖維的規(guī)律收縮現(xiàn)象。 與之類似, Esch 等將組織細胞在圓盤狀的模塊化微流控芯片中進行培養(yǎng), 經(jīng)過2 ~ 16 d的培養(yǎng)過程后, 通過層疊式的組裝方法, 得到了串聯(lián)模式的多器官微流控芯片系統(tǒng), 研究結(jié)果顯示培養(yǎng)過程中細胞的死亡率很低, 且細胞新陳代謝速率與傳統(tǒng)培養(yǎng)方法相似。

圖 6 基于模塊化微流控系統(tǒng)的多器官芯片

除了器官芯片, Munshi 等通過細胞培養(yǎng)、樣品注入和檢測 3 個模塊串聯(lián), 實現(xiàn)了對內(nèi)皮細胞的NO 釋放量實時監(jiān)測, 模塊間通過螺紋連接, 同時可以根據(jù)實驗需求靈活調(diào)整模塊的搭配方法(如圖 7所示)。 Kampe 等通過基于 PMMA 材料的模塊化微流控系統(tǒng)對肝臟參與藥物代謝的 I 相和 II 相過程進行了仿真研究。 Acarregui 等利用微膠囊對產(chǎn)生胰島素的 1. 1B4 細胞系進行了封裝, 之后在模塊化的微流控系統(tǒng)分別進行培養(yǎng), 同時觀察培養(yǎng)環(huán)境中葡萄糖對細胞培養(yǎng)過程的動態(tài)作用。Frische 等通過玻璃與 PMMA 模塊芯片層疊, 構(gòu)建了基于模塊化微流控系統(tǒng)的血細胞計數(shù)器。

圖 7 模塊化的細胞培養(yǎng)、樣品注入及分析微流控芯片

將模塊化微流控芯片應用于生物醫(yī)學等領(lǐng)域, 除了在微流控系統(tǒng)的組裝上具有方便快捷的優(yōu)勢外, 另一個顯著優(yōu)勢就是通過多模塊的并行大幅提高通量。 例如基于微流控系統(tǒng)的的數(shù)字 PCR 技術(shù)中, 通量的提高對于目標基因的定量檢測精度提高具有顯著作用, 在傳統(tǒng)微流控系統(tǒng)通量難以進一步提高的情況下, 通過模塊化并行技術(shù)提高通量具有現(xiàn)實可行性。

4 商業(yè)化模塊微流控系統(tǒng)概況

伴隨模塊化微流控技術(shù)的提出和發(fā)展,國內(nèi)和歐洲的幾家公司推出了一系列的模塊化微流控芯片產(chǎn)品, 根據(jù)常見的微流體基本操作, 如混合、顆粒分離、加熱、細胞培養(yǎng)等,設計并加工相應的模塊芯片, 使用者可以根據(jù)需求選擇和連接這些模塊芯片, 配合恒壓泵等對流體進行控制, 得到適應其應用需求的微流控系統(tǒng)。

目前, 具有較為成熟的模塊化微流控芯片產(chǎn)品體系的公司主要集中在歐洲等地, 如德國Microfluidic ChipShop、英國 Dolomite、法國 Klearia、荷蘭 Micronit、美國 Ufluidix 等公司, 這些公司的模塊化微流控芯片產(chǎn)品較為相似:主要使用了 PDMS、PMMA、COC、COP、玻璃等材料;從簡單的單通道微流控芯片到液滴制備芯片, 甚至 PCR 芯片均有涉及;主要使用了玻璃化學刻蝕、微納熱壓印、模壓成型等較為成熟的加工技術(shù);分別設計了各類多種形式的芯片夾具或螺紋接口用于模塊間流體的交換。

目前, 已經(jīng)商業(yè)化的模塊微流控系統(tǒng)還存在諸多不足:(1) 可選模塊芯片的功能較少, 流道內(nèi)部尺寸的選擇范圍更窄, 且模塊芯片的售價高昂(單片 30 歐元以上);(2)目前的模塊化芯片一般都基于COC、PMMA 及 PDMS 等少數(shù)幾種材料, 使用者的選擇性有限, 這幾種材料的物理化學性能不能完全滿足多樣化的實驗需求;(3)模塊芯片間的連接都是通過金屬夾具配合 O 形圈以及軟管實現(xiàn), 操作復雜且成本高昂。 商業(yè)化的模塊系統(tǒng)的未來發(fā)展, 首先, 需要充分地擴增模塊芯片庫的數(shù)量, 覆蓋更廣的應用范圍;其次, 需要建立標準化的模塊芯片體系, 實現(xiàn)不同來源芯片間的互聯(lián)互通;最后, 需要探索模塊化微流控系統(tǒng)的大規(guī)模批量化生產(chǎn)和芯片間的接口技術(shù), 降低芯片成本。

5 結(jié)論與展望

如果說微流控技術(shù)還處在青少年階段, 那么模塊化微流控系統(tǒng)則還處在嬰兒期。 目前, 基于各種材料、微納加工技術(shù)以及接口技術(shù)的模塊化微流控系統(tǒng)不斷涌現(xiàn), 且具有各自的優(yōu)勢與劣勢, 還遠未能實現(xiàn)標準化和規(guī)模化的批量生產(chǎn)應用。 模塊化微流控系統(tǒng)也有其自身的局限性, 首先, 在生命科學和醫(yī)學領(lǐng)域的科學研究應用中, 模塊化微流控系統(tǒng)較適用于研究初期的概念驗證, 可重復性、實驗精度和可靠性尚低于傳統(tǒng)的集成化微流控系統(tǒng);其次, 模塊芯片間接口技術(shù)問題還沒得到完善解決, 這成為了制約模塊化微流控芯片發(fā)展的瓶頸問題。

對于生命科學和醫(yī)學等領(lǐng)域的研究者, 模塊化微流控系統(tǒng)比集成化微流控系統(tǒng)的技術(shù)門檻低、使用方便快捷, 未來必將得到越來越廣泛的應用。 參考集成電路、微機電系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展歷程, 模塊化是未來微流控技術(shù)實現(xiàn)標準化和大規(guī)模低成本批量生產(chǎn)的必經(jīng)之路。

免責聲明：文章來源doi: 10.11895/j.issn.0253-3820.181552  以傳播知識、有益學習和研究為宗旨。 轉(zhuǎn)載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除。