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综述：用于生命健康领域的模块化微流控系统

MEMS 2023-04-01 00:01
微流控技术的进步使生命科学中的许多发现和技术得以实现。然而，由于缺乏行业标准和可配置性，微流控器件的设计和制造需要高度熟练的技术人员。微流控器件的多样性阻碍了生物学家和化学家在实验室中应用这一技术。模块化微流控系统将标准化的模块集成到一个完整、复杂的平台中，为传统微流控系统提供了可配置的能力。
据麦姆斯咨询报道，近期，深圳大学高等研究院闫昇研究员团队回顾了最前沿的模块化微流控系统研究成果，并对其未来前景进行了讨论。该综述首先介绍了基本微流控模块的工作机制，并评估了它们作为模块化微流控组件的可行性。接下来，介绍了这些微流控模块之间的连接方法并评估了这些连接方式的特点。随后，介绍了模块化微流控系统在生物领域的应用（如图1）。最后，讨论了模块化微流控系统的挑战和未来前景。
图1 模块化微流控系统概述

微流控模块
模块是模块化微流控系统中具有完整功能的组件。该综述总结了主要功能模块的基本原理，包括微阀（如图2）、微泵、微混合器、分离器、液滴发生器、梯度发生器、捕获器和细胞培养模块，并分析了它们作为模块化微流控组件的可行性。
图2 不同微阀的示意图：（a）热气动微型阀；（b）静电式微阀；（c）压电式微阀；（d）电磁式微阀；（e）水凝胶微阀；（f）止回阀

微流控模块的连接方式
为了形成完整的微流控系统，需要连接每个单独的微流控模块。模块的连接需要防止液体泄漏，并确保整个系统的平稳运行。到目前为止，微流控模块的连接包括LEGO®连接、管道连接、鲁尔连接、O形环/垫圈连接、等离子体连接和粘附连接（图3）。该综述评估了不同连接方法的重复性、连接强度、制造复杂性、组装复杂性和生物相容性（图4）。
图3 不同连接方式示意图：（a）LEGO®连接；（b）管道连接；（c）鲁尔连接；（d）O形圈/垫圈连接；（e）等离子体连接；（f）粘附连接

图4 不同连接方法的重复性、连接强度、制造复杂性、组装复杂性和生物相容性的比较

模块化微流控系统在生物领域的应用
微流控器件由于其试剂消耗量小、表面积大、体积小等优点而被用于生物医学研究。模块化微流控技术进一步降低了微流控的使用门槛，并为没有微流控专业知识的终端用户提供了灵活和可定制的系统。在此，详细介绍了模块化微流控技术在生命科学中的一些典型应用，包括癌症细胞分离、聚合酶链反应（PCR）、器官芯片、生物标记物研究和颗粒合成。
目前，模块化微流控系统推广的主要挑战在于模块化微流控系统需要解决模块到模块的标准化连接以及标准协议问题。此外，用于制造模块的材料也会限制模块化微流控技术的应用。同时，作者还展望了模块化微流控的几个发展方向，包括：人工智能（AI）指导微流控模块构建方案和自动控制微流控系统中的执行器；利用先进材料的自愈性和自粘附性，为微流控的模块提供了一种新的连接方法；发展可编程微流控，提高微流控系统的可扩展性和自定义性（如图5）。
图5 模块化微流体的前景：（a）AI辅助模块选择和决策；（b）自愈连接方法；（c）集成式微流控、模块化微流控和可编程微流控的概念

该论文近期以“Modular microfluidics for life sciences”为题发表于Journal of Nanobiotechnology期刊。深圳大学纳米光子学研究中心方晖教授和硕士生吴佳霖为论文共同第一作者，闫昇研究员为通讯作者，深圳大学高等研究院为第一单位。该工作还得到格里菲斯大学张俊博士的支持。该成果得到广东省基础与应用基础研究基金委，以及深圳市科创委项目的支持。

论文链接：
https://doi.org/10.1186/s12951-023-01846-x

延伸阅读：
《微流控初创公司调研》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

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