微流控：隐藏在你周围的微小而美妙的技术

  彩色的液体从左下方进入，但由于层流的作用，即使它们通过一个单一的通道并从右上方流出，它们依然保持相对不混合。当提到微型或纳米技术时，你非常有可能会想到一些小型电子科技类产品，比如你的手机、一个小小的机器人或一个微芯片。但COVID-19检测技术—可以说是控制当下这场大疫病的核心—也是一种微型化技术。许多COVID-19检测可以在几小时内给出结果，而不需要把样本送到实验室，其中大部分检测都应用了一种叫微流控的技术。我是一名生物工程学教授，在我的研究中经常会用到微流控技术。从妊娠检测到葡萄糖试纸，再到喷墨打印机和基因测试，这一切都依赖于微流控技术。尽管不为众人所知，但它无处不在，并对许多维持现代世界运转的事物至关重要。微流控系统是指任何处理极少量液体的设备。液体在比头发丝还细的通道中流动，同时微小的阀门能控制液体流动的开与关。这些通道由玻璃、聚合物、纸或凝胶等材料制造成。驱动液体的一种方法是使用机械泵；另一种方法是利用某些材料的表面电荷；还有一种方法是利用所谓的毛细作用—更被熟知的名字是“芯吸”。“芯吸”是利用液体内部储存的能量来推动液体通过狭窄空间的过程。在较小的尺度上，流体的流动模式是不直观的。想象一下，不像从花园的水管或你的淋浴喷头流出的湍急而混乱的水流，而与之相反，在微通道狭小受限的体积中，液流反而会异常地稳定。流体以平行流的形式有组织地沿着通道移动，称为层流。层流是微流控系统的伟大奇迹之一。层流中的液体和微粒遵循数学上可预测的路径—这是精密工程和医疗设施设计所必须的。这些类似的过程对研究人员很有启发，并且已经在自然界中已经存在了很久。植物利用毛细作用将养分从根部输送到最高的树枝上，这是设计自主供能的微流控电路的灵感来源。化学家们通过模仿雨滴的物理特性，设计了特殊设备，可以将样品分成数百万个液滴，并以令人目眩的速度对它们做多元化的分析。每个液滴本质上是一个微小的化学实验室，使化学家能够研究生物分子的进化，进行超快速的遗传分析，并一起进行许多其他的事情。最后，人体的每个角落都是微流体。如果没有错综复杂的毛细血管将食物、氧气和信号分子带到每个细胞，我们就不可能出生或运转。

  随着组件越来越小，设备能依靠液体在微小空间尺度上的奇异特性，更快、更有效地运行，并且具有更低的制造成本。微流控技术革命一直在默默跟随着其对应电子学领域的发展。微流控设备的另一个主要优势是，它们只需要用极少量的液体，故而尺寸可以很小。美国宇航局很长一段时间以来一直在考虑为他们的火星车配备微流控分析仪。对于像人类血液这样珍贵液体样品的分析，也得益于这种对微量样品分析的能力。例如，作为微流控仪器的代表，血糖仪只需要一滴血就能测出糖尿病患者的血糖含量。我们在日常生活中很可能常常使用微流控技术。比如，喷墨打印机喷射微小的墨滴；3D打印机通过微流体喷嘴挤出熔融态的聚合物；钢笔和圆珠笔中的墨水通过微流控原理流动；哮喘病人的雾化器喷出含有微型药物液滴的雾；怀孕测试依靠尿液在微流控纸条内的流动等。

  微通道中的三个微阀门。通往充满橙色的通道的第一个和第三个阀门关闭了。中间的阀门开放。在科学研究中，微流控技术能将药物、营养的东西或任何液体引导到生物体内很具体的部位，从而更精确地模拟生物过程。例如，研究人员将蠕虫困在微型通道中，用气味刺激它们来研究神经回路。另一个小组将营养物质引向植物根部的特定区域，以观察它们对生长相关化合物的不同反应。其他小组还设计了微流控陷阱，能够从血液中以物理手段捕获罕见的肿瘤细胞。大量的微流控基因芯片提供了快速测序人类基因组的能力，并使诸如23andMe企业来提供的个性化DNA检测成为了现实。假如没有微流控技术，这些都是不可能实现的。

  图示设备为一个肿瘤芯片，每个孔洞包含一种不同的药物，这些药物被泵送到含有肿瘤样品的设备中央。图片来自：Adan Rodriguez和Albert Folch, CC BY-ND微流控技术是将医学带入一个新的、快速、可负担新时代的重要的条件。检测汗液中物质以进行运动监测的可穿戴设备，以及将抗癌药物局部地输送到患者肿瘤的植入式设备，都是目前生物医学微流控技术领域新的前沿。研究人员正在开发复杂、迷人的微流控系统，它们被称为“芯片上的器官”，旨在模拟人类生理学的每个方面。在我自己和世界各地的其他实验室里，许多团队正在开发肿瘤芯片平台，以更有效地测试癌症药物。这些“病人的化身”，使科学家们能够以一种新的途径来测试治疗方法，而不涉及在动物或人体中来测试时的成本、痛苦和道德问题。在我的实验室里，我们第一步将癌症患者的肿瘤活体组织解剖成数千个微小的规则碎片，并保持其活力。凭借它们的微小尺寸，我们大家可以使用微流控技术将微小的肿瘤碎片收集到多个孔洞中，每种药物占据一个孔洞。这些样本保留了合适的肿瘤细胞环境，这将使我们也可以更准确地预测一种药物将如何对特定的人发挥作用。想象一下，当癌症患者去看医生时，会被提取少量的活体组织，在不到一周的时间里，利用我们的微流控设备，医生可以找出哪种鸡尾酒药物对患者的肿瘤去除效果最好。尽管这还未实现，但我们大家都知道的是，未来属于微流控技术。