什么是微流控芯片，现在的发展有什么瓶颈？

Rose

什么是微流控芯片，现在的发展有什么瓶颈？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/20852718

检验医师

微流控芯片是一种集成化、微型化的装置，能够实现流体的精准操控，应用于生物医学研究、化学分析和药物筛选等领域，特别是在实验室自动化、单细胞分析和高通量筛选等方面表现突出。
结合目前热门的器官芯片领域，微流控器官芯片要想成功、成熟地得到客户、研究者和使用者的认可，还面临以下几个主要瓶颈：
1. 技术自身缺陷

• 设备个性化与兼容性差：操作复杂，易用性低。
  
• 微缩模型问题：取样困难，缺乏实时监测手段。
  
• 实验准确性与重现性：稳定性、一致性和人体相关性问题。
  
• 数据外推困难：体外数据难以外推至人体数据。
  
• 高昂成本：制造和运行成本较高。
  

2. 认知和人才储备

• 概念不明确：对3D培养、类器官和器官芯片的概念界定不清晰。
  
• 高要求：模型构建复杂，对操作和设计人员的要求高。
  

3. 供应链

• 原代细胞进口壁垒：需要P2实验室资质、卫检备案和复杂的风险评估流程。
  
• 细胞类型选择和供应问题：细胞来源、伦理、质量（活力、表型、关键功能属性）难以保障，供体来源批次间差异大，使用者需自行进行大量验证。
  

4. 落地应用

• 缺乏大规模临床数据：缺少大量的临床验证数据。
  
• 监管参与度小：FDA认为误差主要来自两个方面：
  

• 设备/系统/芯片构造的差异：包括芯片组装、蛋白包被、液流、培养基更换、操作流程和检测手段等。
  
• 原材料/细胞的差异：包括分离方法、遗传背景、培养基和分化步骤（如iPSC）等。
  

• 特定疾病模型：需要开发更多特定器官特性的疾病模型。
  

如需了解更多器官芯片相关应用，欢迎咨询上海曼博生物。

队长是我

什么是微流控芯片？
Microfluidics deals with the behavior, precise control and manipulation of fluids that are geometrically constrained to a small, typically sub-millimeter, scale. It is a multidisciplinary field at the intersection of engineering, physics, chemistry, biochemistry, nanotechnology, and biotechnology, with practical applications in the design of systems in which low volumes of fluids are processed to achieve multiplexing, automation, and high-throughput screening. Microfluidics emerged in the beginning of the 1980s and is used in the development of inkjet printheads, DNA chips, lab-on-a-chip technology, micro-propulsion, and micro-thermal technologies.
维基百科解释很全了啊。微流控是在微米级别操纵流体，本质上它是一种技术，一种平台。我们利用这个工具进行新的探索和产业应用。本身在这个尺度下，流体就具有宏观流体不具备的现象，如层流。其次，利用微流控能够非常容易的产生和控制微液滴；同时，由于细胞，大分子（蛋白、核酸等）这些生命基本体尺寸也在这个范围，因此微流控在生物领域应用也非常广泛。精确化，小型化，自动化是其特点，也是其追求的目标。
为了更加清楚回答这个问题，还可以从两方面考虑：研究领域和产业应用。
从研究角度看，微流控应该来说还是很广的，从材料的选择、制备、表面处理，到微流控芯片局部功能实现，再到流体驱动、混合、分离、检测，最后功能的集成以及后来的应用都可以作为微流控研究的出发点。当然，我们也可以参考其它文献中已有的设计。这个随便从找几个大的综述就可以看到。


如上图所示：Anal. Chem. 2016, 88, 320−338


如上图所示：Chem. Rev. 2013, 113, 2550−2583
从上面可以看出，目前微流控的研究主要还是集中在生物学应用上，但其在化学、流体物理、新材料等领域都有的应用。
从产业应用的角度看微流控，目前主要集中在细胞，蛋白，基因等的分析上，这个在知乎上已经有了相关的专题：微流控的产业化发展。不得不说的是，我们国家目前在微流控流域还是落后于国外厂家的，目前大部分成功的微流控产品还是国外产品。国内主要还是沿袭：复制跟随，规模发展，弯道超车的发展道路。
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发展有什么瓶颈？
我觉得这个也得从两个方面说。
从微流控目前发展的角度来看，现在基本上所有的研究方向都已经有很深的探索了。甚至就单单是用于制作微流控芯片材料的研究，目前都有很多综述写出来。



2398 ’ ACCOUNTS OF CHEMICAL RESEARCH ’ 2396–2406 ’2013 ’Vol. 46, No. 11

不是说不能突破，比如去年复旦大学俞燕蕾团队研发了一种新型的光控微型驱动器，实现了对液体的非接触的实时控制，只是说很难。



Nature 537, 179–184 (08 September 2016) doi:10.1038/nature19344

从研究者的角度看，目前微流控的研究其实已经深入到实验室的各个方面。但是，正如上面有人提到的一样，微流控芯片设计各种各样，但是都无法推广到各个实验室。从事微流控研究的实验室应该说都有自己独创的某些微流控芯片可以更好的实现如药物合成，检测，细胞分离等，但都无法与该领域的金标准相匹敌，最后大家还是用传统的方法去做参照。研究的东西也就根本不会在实验室推广起来。
当然，现在兴起的Microfluidic organs-on-chips也是很火的。



Nature Biotechnology 32, 760–772 (2014) doi:10.1038/nbt.2989

从产业化角度看，就目前来讲，微流控的确还缺乏一种杀手级应用（Killer application）是不可取代的，特别是对于我们生活而言。我认为主要原因是缺乏相关的产业配套，导致其成本居高不下。目前科研前言的微流控研究往往芯片核心区就手机大小，但控制部分却相当庞大。这也导致微流控芯片难以走向产业化应用。但我还是认为微流控在未来具有较大的应用前景。其中最容易看见的就是在POCT，IVD上。工业应用看重的是效益，而POCT和IVD产业是微流控芯片最快产生利润的地方。一旦这个窗口打开后，相关的配套产业、政策、人员和企业这些也将慢慢起来，到时候微流控也会有更多的应用平台。
微流控的确能够更好的合成颗粒，控制反应，但成本居高不下，设计五花八门。虽然利用这个平台的确能够更好的达到一些目的，但对于企业来说，效益也是相当差啊。可是，当有一天你发现，芯片的设计是模块化的，芯片的加工非常成熟，芯片非常容易控制同时成本又很低，这时，企业也就会慢慢利用微流控这个技术。
产业化，不管什么新技术，都是一段很长的路。
推荐去这个回答下看看：微流控芯片的前景如何。

检验医师

一、微流控概述
1990年，科学家第一次提出了微型全分析系统这一个概念，在随后的13年中微流控技术不断发展，在2003年微流控技术被评为影响人类未来最重要的15个发明之一。作为生物、医药等领域检测的前沿技术，微流控具有高度自动化和集成化的优点，通过在固体芯片表面构建微型的反应和分析单元，可以实现对无机离子、有机物质、核酸、蛋白质和其他生化组份快速、准确的检测，所以也称微流控芯片为“芯片上的实验室”（Lab on a chip）。


二、微流控的特点
（一）集成小型化与自动化
微流控技术能够把样本检测的多个步骤集中在一张小小的芯片上，通过流道的尺寸和曲度、微阀门、腔体设计的搭配组合来集成这些操作步骤，最终使整个检测集成小型化和自动化。
（二）高通量
由于微流控可以设计成为多流道，通过微流道网络可以同时将待检测样本分流到多个反应单位，同时反应单元之间相互隔离，使各个反应互不相干扰，因此可以根据需要对同一个样本平行进行多个项目的检测。与常规逐个项目检测相比，大大缩短了检测的时间，提高了检测效率，具有高通量的特点。
（三）检测试剂消耗少
由于集成检测的小型化，使微流控芯片上的反应单元腔体非常小，虽然试剂配方的浓度可能有一定比例的提高，但是试剂使用量远远低于常规试剂，大大降低了试剂的消耗量。
（四）样本量需求少
由于只在小小的芯片上完成检测，因此需要被检测的样本量需求非常少，往往只需要微升甚至纳升级别。此外还可以直接用全血进行检测，对于婴儿、老人、残疾人这些血量少、静脉采集困难的人群，使其检测更加方便；或者是非常珍贵稀少的样本，使其多项指标检测成为可能。
（五）污染少
由于微流控芯片的集成功能，原先在实验室里需要人工完成的各项操作全部集成到芯片上自动完成，使人工操作时样本对环境的污染降低到最低程度。例如在分子核酸类检测中，无论是样本本身，还是制备后准备用于检测的核酸，均会对实验室造成污染，气溶胶的扩散使得后续样本检测容易出现假阳性。这也是为什么常规分子核酸类检测需要至少在3个房间分别进行不同的操作。微流控技术的使用很好的解决了这一问题。
正因为微流控具有以上几个重要的优势和优点，使其成为了POCT的首选。而我们判断这类产品在市场上有没有需求和竞争力，可以从这几个方面上进行判断。
更多微流控信息：
https://www.zhihu.com/question/28607048/answer/151131250

检验医师

微流控芯片是利用微米级流体通道来处理流体的器件。利用其体积小的优势，可以处理Picoliter，nanoliter级别的流体，因此能大大减少样品消耗，降低生物检测成本，提高反应速率，对药物开发，疾病诊断，微观尺度生物研究具有很大的应用前景。
以上提到的都是这个领域的巨大前景，但是要最终实现这些前景，需要开发出具有和当前主流设备相抗衡的产品。瓶颈在于以下几个方面：
1. 用于个体化，POC检测这个方向，需要整个器件小型化。目前大多数的研究还是停留在基础生物学和化学的研究，检测方法是光学显微镜。光显的优势有目共睹，但是缺陷是体积庞大，价格高昂。想要在这个方向发展，需要寻找有利于集成的新型传感器芯片，包括磁传感，各种电化学传感器等。
2. 用于基础生物学的研究。目前，微流控芯片已经进入到实验室用于生物学的基础研究。这个方向其实对检测器体积要求不高，因此只是利用实验室已有的传统光学显微镜，如共聚焦激光扫描显微镜等就可以开展研究。微流控芯片在这里扮演的角色是，提供微观的流体控制技术，观察细胞，化学反应等在这个尺度的新的现象。对传统仪器改造，引进微流体的通道，结合传统光学仪器表征，已经实现商业化。
3. 大规模药物筛选。这是微流控芯片很热门的和很有前景的方向，同时也是最有挑战的方向。当前的药物开发平台，主要基于microplate, 体积消耗大，筛选周期长。如果微流控平台可以实现这个microplate的基本功能，那么就有希望成为下一代的药物筛选平台。面临的挑战有，药物的编码，分离，检测等。把多种功能结合在一个平台上，涉及到工程学的流体管道设计，芯片集成等问题。液滴微流控是目前能够适应大规模药物筛选的平台技术之一，如何有效操控和编码液滴，是需要解决的问题。

同花顺

虽然已经不玩这个了，看见还是跑来瞎bb。
个人觉得微流最大的问题都不是微流自己的问题。楼上说了材料是重要的原因，还有就是接口匹配的问题。本科做了两年感觉微流自己很完善很小很厉害，然后并没啥用。该需要MS还是要去MS，该LC的人家也不会用chip上的CE。于是就感觉定位非常尴尬，弄个elisa还要整个巨大个的显微镜。之前还看见了做chip-CE-MS的，不知道现在人们是不是还是这个发展方向。
然而如果能避开这些问题，微流在高通量领域的应用大家应该是有目共睹的，特别是测序相关的应用，看着都觉得帅。