模块化微流控系统与应用

微流控芯片

摘 要 微流控芯片近年来在生命科学、分析化学、食品科学、环境科学等领域得到了越来越广泛的应用。 传统的微流控芯片系统是高度集成化的微纳尺度流体综合处理和分析系统, 其设计和加工过程较为复杂, 且需要专业的微加工设备和技术人员。 借鉴于集成电路和微机电系统在模块化方面的成功经验, 近年来, 模块化微流控系统的研究和应用日益增长, 模块化微流控系统通过将单一液体操控功能的模块进行重新组合后实现复杂的微流体操控功能。 与集成化微流控系统相比, 模块化微流控系统的优势在于组合灵活、适应性强, 且可以通过批量生产显著降低了微流控芯片的加工和使用成本, 使用者可根据实验需求快速拼装得到能够满足其应用需求的微流控芯片系统。 模块化微流控系统的提出为微流控芯片设计、加工技术的标准化提供了可行性较高的实现途径, 同时也为微流控芯片未来大规模工业化生产和应用奠定了基础。 目前, 模块化微流控芯片的发展还处在初级阶段, 各类材料、加工方法、接口技术相继出现, 还远未形成标准化的模块化微流控技术体系。 本文介绍了现阶段各类模块化微流控芯片的最新研究概况以及模块化微流控芯片在生物医学等领域的应用情况, 并对未来模块化微流控系统的发展趋势进行了展望。

引 言

微流控技术出现于 20 世纪 90 年代, 经过近三十年的发展, 已在生命科学、医学、食品工程、环境工程等领域广泛应用。 微流控技术最早发源于微机电系统(MEMS), 用于微机电系统中对微米和纳米尺度上的流体进行操控。 微流控系统在反应物/ 能量消耗、检测精度、检测灵敏度等方面拥有独特优势, 20 世纪 90 年代中后期逐渐从微机电系统领域中独立出来, 成为一个多学科交叉的新兴研究领域。

早期微流控系统使用的微纳加工技术直接继承于微机电系统的加工技术, 大多采用了微机电系统和集成电路(IC)加工领域常见的光刻、化学腐蚀、金属溅射等技术, 将微流道等结构加工在玻璃和硅片为基底的材料上。 伴随微流控技术的发展, 各种新加工技术以及新材料不断出现, 目前主流微流控芯片普遍采用软光刻、激光烧蚀、微纳压印、微注塑等加工技术。 各类聚合物材料也代替硅和玻璃材料成为微流控系统的主流基体材料。

在微流控系统的功能方面, 现有的微流控系统多是针对某项应用的要求(如细胞操控、DNA 测序等)而设计和制造的集成化系统, 即从进样到样品处理、反应、分离等全部的操作都集中在一块芯片中实现。 集成化的微流控芯片不仅具有流体操控机构, 有的还集成了电极、传感器, 甚至电路。 集成化微流控系统的优势在于全自动化的液体处理和分析检测, 实验过程中无需人为操作。同时, 集成化微流控系统的缺点也很明显, 首先, 集成化系统的适应性较低, 如实验条件发生改变, 则需要对全部系统进行重新设计和加工;其次, 集成化微流控系统的技术门槛较高, 其设计和微加工操作常需要有经验的专业人员在超净实验室中完成, 很难由其最终使用者(生物、医药等领域的研究者)自行设计和加工;最后, 目前各类集成化微流控系统设计和加工过程中使用的材料、微加工方法、流道结构、流体进出接口等都明显不同, 难以实现标准化, 非常不利于未来的产业化应用需求。

微流控技术脱胎于微机电系统, 而微机电系统的设计理念和加工方法又多源自集成电路技术, 这就很容易联想到可以将集成电路中普遍使用的模块化方法应用于微流控系统的研究中。 模块化微流控系统概念的提出最早可追溯到 2008 年, 目前对模块化微流控系统尚无严格的定义, 本文所讨论的模块化微流控系统指的是通过对前期各类集成化微流控系统的功能分解, 将微流控系统的常见功能分解为多个只具有单一功能的芯片模块, 根据应用需求, 将不同模块进行排列组合, 实现复杂的微流体操控功能。相比于集成化微流控系统, 模块化微流控系统具有如下优势:首先, 芯片模块的设计和加工由相关专业人员实现, 最终使用者只需通过简单的拼接即可得到满足其需要的微流控系统, 显著降低了微流控技术的使用门槛;其次, 由集成电路等领域的发展历程可以预见, 模块化非常有可能是微流控技术走向标准化、实现大规模产业化应用的必经之路, 通过大规模加工的标准化微流控模块芯片实现高效、低成本的产业化应用。模块化微流控系统的概念自提出以来就吸引了很多研究者的关注, 众所周知, 模块化的设计应用在大规模集成电路、微机电系统等领域都已经取得了显著成就, 但在微流控系统的研究领域还处在发展的初级摸索阶段。 到目前为止, 经过近二十年的发展, 不同专业的研究者提出了各类不同的模块划分方法、加工技术、接口方法等, 相关论文发表数量也呈逐年上升的趋势, 如图 1 所示。 在这些已经开展的研究中, 比较具有典型代表性的模块化微流控芯片系统在材料、加工工艺以及在生物、医学等领域的应用研究情况如表 1 所示。 值得指出的是, 到目前为止, 模块化微流控系统还远未形成较为统一的设计和加工标准, 也没有相关研究对目前模块化微流控系统的研究现状进行系统性梳理。

本文从模块化微流控系统的材料、微加工技术、接口技术等方面的最新研究情况入手, 介绍了模块化微流控系统在生命科学、医学等领域的应用情况, 并对通过模块化理念实现微流控技术的标准化和大规模产业化的远景进行了展望。

2 模块化微流控系统的加工与接口技术

2. 1 模块化微流控系统的模块划分与加工技术

模块化微流控系统的概念自 2008 年出现以来, 经过二十余年的发展, 出现了基于各种材料、各种模块划分方法和接口技术的模块化微流控系统。 模块化微流控系统理论也得到发展, 陆续出现了液体流路面包板(Fluid breadboard, FBB), 混合液体流路 (Mixed circuit board, MCB)、可组装微流控模块( Microfluidic assembly blocks, MABs)、 微流控芯片构建模块 ( microfluidics building blocks,MFBB)等。模块化微流控系统研究的第一步是对大量微流控应用案例进行学习,在此基础上合理划分模块芯片单元, 其代表有 Rhee、Yuen等对模块的划分方法。 其中, Rhee 等对模块芯片单元的划分如图 2 所示, 包括各类常见的直线型、Y 型、T 型、十字型等形状的流道以及混合流道、反应腔、培养腔、气动阀门等模块芯片。目前, 在模块芯片单元的划分和设计方面所做的基础性研究还较少, 还需要充分考虑各类生命科学、医学等应用领域的需求, 建立一套较为完整的模型库。 模型库应包括各类截面形状和表面润湿性能的流道, 各类具有混合、切分、筛选、过滤、液滴产生等特定功能的模块芯片, 以及对液体进行主动操控的微泵、微阀等单元。

为了实现特定的应用, 使用时必须对模块芯片单元进行组合, 从模块芯片单元的组合方法上, 模块芯片单元间的相对位置分类可以归纳为层叠组合、并列组合、混合组合等方法。 图 3 展示了既有层叠也有并列组合的模块化微流控芯片系统。 模块芯片单元的组合按照其连接方法可以分为以下3 类:(1)利用了乐高积木的概念, 搭建类似乐高积木的模块化微流控系统;(2)利用电路研究中面包板的概念, 将模块与模块之间的连接通过类似面包板的带有数条液体通路的基板实现;(3)利用类似拼图的原理, 通过模块芯片间物理结构的互相咬合锁紧, 实现模块芯片的稳固连接。

模块化微流控芯片的加工方法多继承自传统的微流控芯片加工方法, 根据所使用的基体材料的不同, 常见的基于玻璃和硅材料的模块化微流控系统多采用光刻的方法进行加工, 而基于聚合物材料(常见材料有 PMMA、PDMS、PC 等)的模块化微流控系统的加工方法种类较多, 常见的有注射成型、激光烧蚀、模塑成型、微纳压印、3D 打印等。 其中, 基于 3D 打印的微流控芯片技术代表了未来模块化微流控系统的发展方向, 芯片加工过程不仅灵活、快捷, 还可以在打印过程中完成对流体通道的封闭, 省去了传统微流控芯片加工过程中的键合环节, 大幅提高了加工效率。 然而, 3D 打印的缺点在于材料的选择性非常有限, 对于 FDM 方法, 集中于 ABS、PLA 等热塑性塑料; 对于光固化打印方法, 则集中于各类聚合物光敏材料。

2. 2 模块化微流控系统的接口技术

集成化微流控系统的流体进出接口较少, 且接口结构较为简单, 主要是为样品进出芯片提供芯片与外接软管之间的连接, 主要方法包括空心金属管(适用于 PDMS 芯片)、鲁尔接头、O 形橡胶圈(配合锁紧机构)等。 模块化微流控系统中, 接口技术较为复杂, 其中不仅包括芯片与外接软管(泵)之间的连接, 更为重要的是模块芯片之间复杂且数量繁多的流体接口。

由于微流道等微结构的加工技术可以直接沿袭集成化微流控系统的加工技术, 模块化微流控系统对模块芯片间接口具有较高要求:(1)连接快捷、高效, 多个接口串联的情况下也需要保证在使用过程中不发生渗漏;(2)模块芯片常反复拆装, 要求连接必须是可逆的;(3)避免使用化学粘合剂或者复杂的锁紧机构;(4)由于流道结构变化对微流体的流动状况影响明显, 所以还需要保证接口处的流道结构变化平缓,没有急弯等结构, 避免经过接口时打破微流体本身的流动状态(如导至液滴融合、加速混合等)。

基于以上 4 项要求, 研究者进行了多种尝试, 目前主要有磁性接口、鲁尔接口[40]以及 O 形橡胶圈等接口技术。 其中, 磁性接口技术如图 4 所示, 通磁性接口实现了模块芯片间的连接, 其优势在于连接方便快捷、可逆性好。 然而, 磁性连接很难保证在通道内高压的情况下不出现渗漏。 基于O 形橡胶圈的芯片模块间接口方法如图 5 所示, 研究者直接使用了规模注塑加工的乐高积木, 通过微型铣刀在其表面加工了具有不同功能的流体通道, 构成了模块芯片单元, 在模块芯片的通道连接处设置了 O 形橡胶圈, 用于流体通道的连接, 基于O 形橡胶圈连接方法简单且可逆, 在模块芯片单元间具有足够的预紧力时能够保证不发生渗漏, 但是在装配和使用过程中如模块间发生松动则很容易产生流体泄漏。

鲁尔接头(Luer taper)是一种在医疗领域常见的微量流体接口体系, 有研究者将其连接原理移植到了模块化微流控系统中模块间的连接上, 基于鲁尔接头的连接通常应用于上下层叠模式的模块芯片单元之间, 其螺纹连接可靠性很高, 极少渗漏。 然而, 鲁尔接头的结构复杂, 难于加工, 在微流控芯片应用中通常需要通过 3D 打印或微注射成型等方法实现。值得指出的是, 在模块化的微流控芯片中连接方法中, 基于 PDMS 材质的模块芯片间连接较为特殊, 由于 PDMS 材料本身密封性好, 经常被用于制作密封件等材料, 所以基于 PDMS 材质的模块芯片间进行连接无需特殊接口结构辅助, 在通道对准后,施加一定压力, 即可实现流体的密封和导通。 对于低成本的模块化微流控系统, 在通道内压力不高的情况下, 甚至可以采用双面胶进行流体管路间的连接。

3 模块化微流控系统的应用

微流控技术在生命科学和医学等领域取得了较为广泛的应用, 而模块化微流控系统的出现则进一步降低了微流控技术的使用门槛, 使越来越多的研究者可以利用微流控技术推动其研究的进展。 相比于集成化的微流控系统, 单个模块芯片的设计与加工较为简单, 生命科学和医学领域的研究者甚至可以通过常见的实验设备完成芯片模块的加工, 组装后得到满足其需求的微流控系统。

模块化微流控系统在生命科学和医学领域应用的常见技术路线:将传统方法的各个实验环节(如萃取、混合、离心、加热等)利用微流控芯片模块进行替代(如混合模块、分离模块、加热模块等), 串联组合后, 即可通过模块化微流控系统实现复杂的生命科学等实验过程。 如 Millet 等将传统的蛋白质纯化操作转移到模块化微流控系统中进行实现, 分别设计和加工了离子交换模块、分子筛模块和亲和色谱模块, 串联后利用模块化微流控系统实现了蛋白质的纯化。

近年来, 器官芯片的发展非常迅速, 在药物筛选等应用领域具有重要研究价值, 在图 6 的模块化微流控系统中, 每一个模块通过不同细胞的注入后分别进行培养形成了心脏、脂肪以及肝脏 3 种器官芯片模块, 随后将器官芯片模块进行串联组装, 形成了一套较为完整的微观生理系统, 在实验研究中, 同时观测到了两个串联模拟心脏芯片中纤维的规律收缩现象。 与之类似, Esch 等将组织细胞在圆盘状的模块化微流控芯片中进行培养, 经过2 ~ 16 d的培养过程后, 通过层叠式的组装方法, 得到了串联模式的多器官微流控芯片系统, 研究结果显示培养过程中细胞的死亡率很低, 且细胞新陈代谢速率与传统培养方法相似。

除了器官芯片, Munshi 等通过细胞培养、样品注入和检测 3 个模块串联, 实现了对内皮细胞的NO 释放量实时监测, 模块间通过螺纹连接, 同时可以根据实验需求灵活调整模块的搭配方法(如图 7所示)。 Kampe 等通过基于 PMMA 材料的模块化微流控系统对肝脏参与药物代谢的 I 相和 II 相过程进行了仿真研究。 Acarregui 等利用微胶囊对产生胰岛素的 1. 1B4 细胞系进行了封装, 之后在模块化的微流控系统分别进行培养, 同时观察培养环境中葡萄糖对细胞培养过程的动态作用。Frische 等通过玻璃与 PMMA 模块芯片层叠, 构建了基于模块化微流控系统的血细胞计数器。

将模块化微流控芯片应用于生物医学等领域, 除了在微流控系统的组装上具有方便快捷的优势外, 另一个显著优势就是通过多模块的并行大幅提高通量。 例如基于微流控系统的的数字 PCR 技术中, 通量的提高对于目标基因的定量检测精度提高具有显著作用, 在传统微流控系统通量难以进一步提高的情况下, 通过模块化并行技术提高通量具有现实可行性。

4 商业化模块微流控系统概况

伴随模块化微流控技术的提出和发展,国内和欧洲的几家公司推出了一系列的模块化微流控芯片产品, 根据常见的微流体基本操作, 如混合、颗粒分离、加热、细胞培养等,设计并加工相应的模块芯片, 使用者可以根据需求选择和连接这些模块芯片, 配合恒压泵等对流体进行控制, 得到适应其应用需求的微流控系统。

目前, 具有较为成熟的模块化微流控芯片产品体系的公司主要集中在欧洲等地, 如德国Microfluidic ChipShop、英国 Dolomite、法国 Klearia、荷兰 Micronit、美国 Ufluidix 等公司, 这些公司的模块化微流控芯片产品较为相似:主要使用了 PDMS、PMMA、COC、COP、玻璃等材料;从简单的单通道微流控芯片到液滴制备芯片, 甚至 PCR 芯片均有涉及;主要使用了玻璃化学刻蚀、微纳热压印、模压成型等较为成熟的加工技术;分别设计了各类多种形式的芯片夹具或螺纹接口用于模块间流体的交换。

目前, 已经商业化的模块微流控系统还存在诸多不足:(1) 可选模块芯片的功能较少, 流道内部尺寸的选择范围更窄, 且模块芯片的售价高昂(单片 30 欧元以上);(2)目前的模块化芯片一般都基于COC、PMMA 及 PDMS 等少数几种材料, 使用者的选择性有限, 这几种材料的物理化学性能不能完全满足多样化的实验需求;(3)模块芯片间的连接都是通过金属夹具配合 O 形圈以及软管实现, 操作复杂且成本高昂。 商业化的模块系统的未来发展, 首先, 需要充分地扩增模块芯片库的数量, 覆盖更广的应用范围;其次, 需要建立标准化的模块芯片体系, 实现不同来源芯片间的互联互通;最后, 需要探索模块化微流控系统的大规模批量化生产和芯片间的接口技术, 降低芯片成本。

5 结论与展望

如果说微流控技术还处在青少年阶段, 那么模块化微流控系统则还处在婴儿期。 目前, 基于各种材料、微纳加工技术以及接口技术的模块化微流控系统不断涌现, 且具有各自的优势与劣势, 还远未能实现标准化和规模化的批量生产应用。 模块化微流控系统也有其自身的局限性, 首先, 在生命科学和医学领域的科学研究应用中, 模块化微流控系统较适用于研究初期的概念验证, 可重复性、实验精度和可靠性尚低于传统的集成化微流控系统;其次, 模块芯片间接口技术问题还没得到完善解决, 这成为了制约模块化微流控芯片发展的瓶颈问题。

对于生命科学和医学等领域的研究者, 模块化微流控系统比集成化微流控系统的技术门槛低、使用方便快捷, 未来必将得到越来越广泛的应用。 参考集成电路、微机电系统等技术的发展历程, 模块化是未来微流控技术实现标准化和大规模低成本批量生产的必经之路。

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