综述：纳米材料结合微流控器件在疾病诊断和治疗中的应用

MEMS 2025-04-15 00:02

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微流控技术凭借其高灵敏度和精准的流体控制能力，在生物医学领域（如药物筛选、疾病诊断）展现出显著优势。相较于传统方法，微流控技术能快速处理微量样本并模拟复杂生理环境（如器官芯片），为体外研究提供更真实的模型。与此同时，纳米材料凭借高比表面积、可功能化表面及独特光学/电磁特性，成为增强检测信号和靶向药物递送的核心工具。

近年，微流控技术与纳米材料的融合已经成为生物医学研究的一种趋势。微流控器件和纳米材料的结合，在疾病诊断和治疗领域展现了卓越的前景。这两种技术的协同作用可以分为两个主要方面。首先，通过利用纳米材料的独特特性，包括磁性、光学或电化学特性，以及它们的高表面积体积比和易于功能化，可以显著增强微流控器件。将具有不同形貌和多功能表面特性的纳米材料整合到微流控系统中，可以快速准确地检测疾病生物标志物。其次，在体外研究领域，通过微流控技术制造的器官芯片具有复制疾病微环境的能力。这些芯片作为高价值平台可用于研究纳米药物对疾病的治疗影响，从而评估疗效和安全性。此外，器官芯片通过促进纳米药物的筛选在纳米医学研究中起着举足轻重的作用，正成为推进新型药物开发的关键步骤。

据麦姆斯咨询介绍，河北大学和香港城市大学的研究人员近期在Nanomaterials上发表了一篇题为“Utilizing Nanomaterials in Microfluidic Devices for Disease Detection and Treatment”的综述性文章。文章全面概述了过去五年结合纳米材料与微流控器件用于疾病诊断和治疗的最新进展。文章讨论了纳米材料的特定功能及其与微流控器件结合的优势。此外，文章还展示了纳米材料与微流控器件在创新医疗设备中的整合，特别是应用于皮肤接口和医学成像技术。最后，文章评估了将微流控器件和纳米材料整合用于临床应用时遇到的挑战，并提出了未来发展的潜在方向。

纳米材料结合微流控器件在疾病诊断/治疗和新型医疗中的应用

纳米材料结合微流控器件在疾病诊断中的应用

生物标志物的检测在疾病的早期诊断、个性化治疗评估和预后判断中起着至关重要的作用。通过利用结合纳米材料的微流控器件，为疾病生物标志物的检测开辟了一条新途径。这种先进技术不仅显著缩短了检测所需要的时间，还大大提高了检测灵敏度，从而推动了临床诊断领域的进步。

在心血管系统中，利用纳米颗粒进行基于微流控的生物标志物检测

心血管疾病生物标志物检测：利用微流控芯片和纳米材料，如金纳米双锥体、金纳米颗粒等，实现了对心肌钙蛋白I（cTnI）、高敏心肌钙蛋白T（hs-cTnT）等生物标志物的快速、高灵敏度检测。

纳米材料结合微流控器件在神经系统中增强检测能力

神经疾病生物标志物检测：通过表面增强拉曼散射（SERS）技术，结合微流控芯片，实现了对阿尔茨海默病（AD）生物标志物（如β-淀粉样蛋白（Aβ）、tau蛋白等）的超灵敏检测。

利用纳米颗粒和微流控器件进行ctDNA和蛋白质检测

肿瘤生物标志物检测：利用微流控芯片和纳米材料，如金纳米颗粒、量子点等，实现了对循环肿瘤细胞（CTCs）、循环肿瘤DNA（ctDNA）、肿瘤外泌体等的高效捕获和检测。

纳米材料结合微流控器件在疾病治疗中的应用

纳米材料在疾病的早期诊断和治疗中显示出巨大的潜力，通过放大检测信号或作为捕获生物标志物的基质，纳米材料大大促进了疾病的早期诊断，对提高治愈率和降低治疗成本具有深远意义。在疾病治疗中，纳米材料常被用作有效的药物载体，从而增强药物的生物相容性和疗效。

微流控技术为纳米药物治疗效果的体外研究提供了必要工具。这些模型克服了传统二维细胞培养和动物模型不能完全模拟人体复杂微环境的局限性。从而显著提高药物筛选的准确性和疗效评估的可靠性。

在基于微流控技术的血管芯片中应用纳米材料进行疾病治疗

血管芯片：通过模拟血管环境，研究纳米材料在血管中的渗透性和药物传递效率，评估纳米药物的疗效。

在基于微流控技术的血脑屏障芯片中应用纳米材料进行疾病治疗

血脑屏障芯片：利用微流控技术构建血脑屏障模型，研究纳米材料的穿透能力和药物传递效果，为脑部疾病治疗提供支持。

在基于微流控技术的肿瘤芯片中应用纳米材料进行治疗评估

肿瘤芯片：构建肿瘤微环境模型，评估纳米药物在肿瘤治疗中的效果，包括药物的靶向性、释放效率等。

纳米材料结合微流控器件的新型医疗应用

未来医学的进步很大程度上依赖于新的医疗技术。纳米材料和微流控器件的结合已成为这一领域的前沿方向，推动了医疗技术的发展，并为未来的医疗解决方案提供了新的可能性。论文总结了纳米材料和微流控器件在皮肤接口器件和医学成像技术中的应用。

皮肤接口器件

微流控技术与纳米材料结合用于皮肤接口器件

皮肤接口器件通过微流控技术与纳米材料的结合，实现了对汗液和间质液中生物标志物的无创、高灵敏度监测。例如，基于激光诱导石墨烯（LIG）和花簇状氧化锌纳米棒（FC-ZnONRs）的传感器可检测汗液中铜离子（Cu²⁺），检测限低至0.0368 μg/L，适用于威尔逊病等代谢疾病的早期诊断。MXene/碳纳米管复合材料电极通过电化学检测胆红素，灵敏度覆盖0.005–0.6 mg/dL，为非侵入性新生儿黄疸监测提供新方案。此外，金纳米颗粒（AuNPs）与MXene结合的纳米生物传感器可实时追踪汗液雌二醇水平，其检测结果与血清浓度高度相关，为女性健康管理提供工具。这些设备通过微流控通道设计实现自动采样与信号增强，兼具便携性和抗干扰能力，展现了在个性化医疗和慢性病监测中的潜力。

医学成像技术

在医学成像领域，纳米材料作为多功能对比剂显著提升了成像精度与多模态兼容性。例如，壳聚糖包裹的超顺磁性氧化铁纳米颗粒（Ch-SPIONs）通过微流控技术合成，其高磁化强度增强了MRI的T₂加权对比度，同时具备抗菌活性，适用于感染性疾病成像。高密度脂蛋白（HDL）纳米生物制剂可集成放射性核素、荧光标记等负载，适配PET、MRI和CT等多模态成像，用于心血管疾病和肿瘤模型的动态追踪。微流控技术在此类材料的合成中发挥关键作用，精准调控纳米颗粒尺寸和表面功能化，确保批次一致性。这些创新不仅提高了病灶定位能力，还通过靶向递送机制减少对比剂用量，为精准诊断和疗效评估提供了革命性工具。

总结

这篇文章全面综述了微流控技术与纳米材料在疾病检测与治疗中的协同创新。在检测领域，微流控技术结合纳米材料，通过等离子体共振（LSPR）、表面增强拉曼光谱（SERS）和电化学传感等技术，实现了心血管疾病、神经退行性疾病和癌症标志物的高灵敏、快速检测。在治疗领域，利用微流控构建血管、血脑屏障及肿瘤芯片模型，验证了纳米药物在抗氧化、溶栓、靶向穿透血脑屏障及肿瘤光热治疗中的高效性。同时，微流控技术与纳米材料的结合还推动了可穿戴设备和医学成像的革新。尽管面临临床转化标准化、纳米材料毒性控制及规模化生产等挑战，结合人工智能与跨学科优化，这一技术有望成为精准医学的核心工具。

论文链接：

https://doi.org/10.3390/nano15060434