綜述：用于生命健康領域的模塊化微流控系統(tǒng)

微流控技術的進步使生命科學中的許多發(fā)現(xiàn)和技術得以實現(xiàn)。然而，由于缺乏行業(yè)標準和可配置性，微流控器件的設計和制造需要高度熟練的技術人員。微流控器件的多樣性阻礙了生物學家和化學家在實驗室中應用這一技術。模塊化微流控系統(tǒng)將標準化的模塊集成到一個完整、復雜的平臺中，為傳統(tǒng)微流控系統(tǒng)提供了可配置的能力。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，深圳大學高等研究院閆昇研究員團隊回顧了最前沿的模塊化微流控系統(tǒng)研究成果，并對其未來前景進行了討論。該綜述首先介紹了基本微流控模塊的工作機制，并評估了它們作為模塊化微流控組件的可行性。接下來，介紹了這些微流控模塊之間的連接方法并評估了這些連接方式的特點。隨后，介紹了模塊化微流控系統(tǒng)在生物領域的應用（如圖1）。最后，討論了模塊化微流控系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和未來前景。

圖1 模塊化微流控系統(tǒng)概述

微流控模塊

模塊是模塊化微流控系統(tǒng)中具有完整功能的組件。該綜述總結(jié)了主要功能模塊的基本原理，包括微閥（如圖2）、微泵、微混合器、分離器、液滴發(fā)生器、梯度發(fā)生器、捕獲器和細胞培養(yǎng)模塊，并分析了它們作為模塊化微流控組件的可行性。

圖2 不同微閥的示意圖：（a）熱氣動微型閥；（b）靜電式微閥；（c）壓電式微閥；（d）電磁式微閥；（e）水凝膠微閥；（f）止回閥

微流控模塊的連接方式

為了形成完整的微流控系統(tǒng)，需要連接每個單獨的微流控模塊。模塊的連接需要防止液體泄漏，并確保整個系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。到目前為止，微流控模塊的連接包括LEGO連接、管道連接、魯爾連接、O形環(huán)/墊圈連接、等離子體連接和粘附連接（圖3）。該綜述評估了不同連接方法的重復性、連接強度、制造復雜性、組裝復雜性和生物相容性（圖4）。

圖3 不同連接方式示意圖：（a）LEGO連接；（b）管道連接；（c）魯爾連接；（d）O形圈/墊圈連接；（e）等離子體連接；（f）粘附連接

圖4 不同連接方法的重復性、連接強度、制造復雜性、組裝復雜性和生物相容性的比較 模塊化微流控系統(tǒng)在生物領域的應用

微流控器件由于其試劑消耗量小、表面積大、體積小等優(yōu)點而被用于生物醫(yī)學研究。模塊化微流控技術進一步降低了微流控的使用門檻，并為沒有微流控專業(yè)知識的終端用戶提供了靈活和可定制的系統(tǒng)。在此，詳細介紹了模塊化微流控技術在生命科學中的一些典型應用，包括癌癥細胞分離、聚合酶鏈反應（PCR）、器官芯片、生物標記物研究和顆粒合成。

目前，模塊化微流控系統(tǒng)推廣的主要挑戰(zhàn)在于模塊化微流控系統(tǒng)需要解決模塊到模塊的標準化連接以及標準協(xié)議問題。此外，用于制造模塊的材料也會限制模塊化微流控技術的應用。同時，作者還展望了模塊化微流控的幾個發(fā)展方向，包括：人工智能（AI）指導微流控模塊構建方案和自動控制微流控系統(tǒng)中的執(zhí)行器；利用先進材料的自愈性和自粘附性，為微流控的模塊提供了一種新的連接方法；發(fā)展可編程微流控，提高微流控系統(tǒng)的可擴展性和自定義性（如圖5）。

圖5 模塊化微流體的前景：（a）AI輔助模塊選擇和決策；（b）自愈連接方法；（c）集成式微流控、模塊化微流控和可編程微流控的概念

該論文近期以“Modular microfluidics for life sciences”為題發(fā)表于Journal of Nanobiotechnology期刊。深圳大學納米光子學研究中心方暉教授和碩士生吳佳霖為論文共同第一作者，閆昇研究員為通訊作者，深圳大學高等研究院為第一單位。該工作還得到格里菲斯大學張俊博士的支持。該成果得到廣東省基礎與應用基礎研究基金委，以及深圳市科創(chuàng)委項目的支持。

論文鏈接： https://doi.org/10.1186/s12951-023-01846-x

審核編輯 ：李倩