微流体的关键概念和应用

微流体是控制极小体积流体的科学和工程，通常在微升到皮升的范围内。流体通常保存在尺寸从1到500μm的通道网络中，包含在所谓的微流体装置中。微流体组件或仪器，例如泵，通过入口和出口将流体输送到设备中。

在如此小的尺寸体表现出与我们熟悉的行为完全不同的行为，毛细管作用可以主导它们的运动。允许流体通过微通道网络，该网络通常包括通道、腔室、储液罐和其他功能，例如测量、传感和驱动组件。微通道的大小和几何形状因所需的功能和应用而异，其中可能包括混合、分离、过滤、检测、加热和液滴产生。

微流体是一个广泛的领域，在以下领域有许多不同的应用：

分子和细胞生物学研究

遗传学

流体力学

微混合或分离

诊断

组织工程

药

生育力测试和协助

环境分析

合成化学品或蛋白质

其中许多应用需要特定的制造技术和材料特性。在大多数情况下，微流体装置还需要进行制造后修改，例如在表面进行处理或涂层。这可以增加它们对水的排斥或吸引力（称为疏水性或亲水性）。这些修改还可以包括在设备中集成试剂或特定分子或细胞，以及包含电极，磁铁或光学组件。微流体装置通常需要在制造后组装到主要由塑料制成的支架或墨盒中。

生物技术中的微流体

微流体是一个多学科领域，需要化学家，物理学家，生物技术专家，医生和不同工程学科之间的合作。这可以包括从概念化和想法开发到微流体装置的设计、制造和测试的所有内容。

生物技术是商业上利用最多微流体装置的部门。在这一领域，生命科学和生物技术公司需要在其产品的开发、生产和商业化过程中与半导体材料供应商和微细加工代工厂合作。

微流体装置越来越多地用于生物应用，因为精确和受控的实验可以以更低的成本和更快的速度进行，直接在使用点进行，并且比传统实验室技术具有更高的通量。此外，在微流体中，我们可以更好地模拟生物体中发生的事情，并比传统的分析方法更精确地控制流体流动、混合、压力和环境。

微流体装置具有多种优点。它们体积小，可以降低设备中使用的生产和材料成本。此外，用于获得相同结果的试剂数量少大大降低了运营成本，而相同数量的细胞和样品可实现更多的测试重复，从而实现更精确的诊断。运行分析程序所需的功耗也降低了。此外，微流体装置更适用于偏远地区，如发展中国家，那里的传染病传播是一个问题，而且获得临床实验室或检测设备的机会有限。

总之，使用微流控装置的一些优点是：

减少样品、试剂和废物的体积

降低测试和程序成本

更快的结果

提高自动化和便携性

更精确的定量结果和实时监控

材料

在微观尺度上，总表面积与体积比大大增加，因此构建这些器件的材料的性能远比宏观尺度重要。因此，必须更加关注所选材料及其表面特性。

最常用于构建微流体器件的材料是玻璃、硅和聚合物，每种材料都有其特定的优点和缺点。材料的选择应主要基于其特性、与血液或治疗的相容性以及预期应用的要求。随后，需要根据制造选项及其各自的成本对材料进行评估。

应针对每个单独的产品开发阶段评估材料的选择，知道在原型制作期间选择的选项可能无法扩展到以后的大批量生产，因此，随后可能需要不同的制造选项。例如，在开发和原型制作阶段，设备的性能可能会因易于制造而受到影响，而在生产阶段，性能可靠性和成本是最重要的因素。

硅是微流体应用中最常用的材料，因为它具有众所周知的特性和制造技术。硅对微流体器件具有吸引力的一些特性，包括对有机溶剂的出色耐受性、高导热性和热稳定性、刚性和易于金属沉积。硅非常容易理解，因为它的生产和操作过程是从MEMS（微机电系统）和半导体行业改编的。

然而，使用硅是昂贵的，并且需要具有专业设备和训练有素的人员的洁净室设施。此外，硅是不透明的，这限制了其在需要透明设备进行成像或荧光检测的应用中的使用。当阀门和泵等有源组件需要集成到设备中时，它的刚性也可能是一个缺点。

玻璃具有许多与硅相同的优点，同时还具有透明性，生物相容性，并且具有较低的分子非特异性表面吸收。与硅一样，除了洁净室环境和高制造成本的要求外，集成其他组件的困难限制了玻璃在某些微流体应用中的实用性（Fiorini和Chiu，2005）。

玻璃和硅器件易于金属化，其表面可以改性以防止分子的非特异性吸收并增加润湿性。它们是毛细管电泳 （CE）、有机合成、液滴形成、DNA 测序和 PCR 微流体应用等的理想选择。

在过去的几十年中，聚合物在微流体装置中的使用已经发展，与硅和玻璃相比，聚合物已成为更具成本效益的材料。聚合物具有透明性、材料成本低以及阀门或泵等活性组件集成更简单等优点。

有许多聚合物，每种都有不同的性质。它们可分为三大类：弹性体、热塑性塑料和热固性塑料。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）等弹性体因其易于制造、易于多层和活性组分的集成以及令人满意的光学透明度而被广泛用于研究和快速原型制作。此外，PDMS因其透气性而非常适合长期细胞培养应用。然而，PDMS与有机溶剂不相容，并允许吸收通道壁中的小疏水分子和生物分子。此外，PDMS的低弹性模量有助于组件的集成，也使其容易变形和通道和特征断裂。

在制造方面，可以使用MEMS技术制造的单个硅或玻璃模具铸造多个PDMS器件。与硅和玻璃一样，可以进行表面修饰以获得特定的表面特性，例如分子的不吸收和润湿性，尽管这些修饰在PDMS中并不持久（Nge等人，2013）。

聚苯乙烯 （PS）、聚碳酸酯 （PC） 和聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA） 等热塑性聚合物是加热到玻璃化转变温度 （Tg）可以通过冷却形成特定的形状;如果需要，它们可以重新加热和重新成型。

不同的热塑性聚合物具有不同的性能，但总的来说，它们都是透明的，便宜的（因此大多用作一次性设备），耐小分子渗透，并且比弹性体更坚硬。

热塑性芯片的一些制造技术包括微注射成型、热压花、压印光刻、溶剂压印，有时还有微加工等。除机械加工外，这些制造技术需要制造非常昂贵的模具，因此这些工艺更适合大批量生产而不是原型制作。

当设备和应用中需要高温、有机溶剂或高纵横比时，热塑性塑料不适用。热塑性聚合物的粘合很麻烦，因为熔融-热粘合是在玻璃化转变温度（Tg），不如用于硅，玻璃和PDMS器件的其他键合技术强，并且还可以改变微通道的特征。

热固性塑料也是透明的，但形状不可逆。一些例子包括热固性聚酯（TPE）和SU-8光刻胶和聚酰亚胺，它们通常用作负光刻胶。与热塑性塑料相比，热固性塑料在经受有机溶剂和较高温度时具有更好的稳定性，但由于成本较高，它们并未广泛用于微流体应用。

表1总结了这些材料用于制造微流体装置的最重要特性。为了最大限度地提高性能和潜在应用，可以通过组合各种材料来设计混合微流体装置。当然，这应该以第二种材料不会损害第一种材料提供的优势的方式进行。

特征性抽动	硅	玻璃	热塑性塑料	热固性塑料	弹性体
Transparen-cy	不	高	中到高	高	高
强度（模量）	高	高	低	低到中	非常低
热稳定性	非常高	非常高	中等	高	中等
溶剂相容性	非常高	非常高	中到高	高	低
材料成本	高	高	低	中等	中等
制造	光刻、蚀刻等	热成型	浇注或光聚合	铸造
可在微米和纳米尺度上获得高纵横比，以及多功能分层。	不适合原型制作。大规模生产时制造成本低。	不适合批量生产。	不适合批量生产。分辨率差。
最小通道尺寸	<100纳米	~100纳米	<100纳米	<1微米

表 1.用于微流体器件制造的材料性能摘要

如前所述，应根据每种应用所需的表面和材料特性选择材料，然后根据成本和制造选项来选择材料。例如，尽管聚合物微流控器件在生产规模上具有较低的制造成本，但与硅或玻璃相比，并非所有应用都可以由聚合物器件支持。在需要高温和有机溶剂的应用中，需要选择硅或玻璃。此外，并非所有的结构要求 - 例如高纵横比特征，金属图案，高质量和良好的尺寸控制 - 都适合聚合物设备。

总之，决定使用哪种材料不仅取决于成本，还主要取决于每种应用所需的特定性能。然而，在评估材料时，还应考虑预期的生产量和生产规模的制造选项，因为它们会影响设计、成本和质量。