芯片上的實驗室：微流控芯片

眾所周知，藥物在上市前的臨床試驗過程中，按傳統(tǒng)主要依賴動物模型完成大量的毒性、動力學(xué)及藥效評價。由于動物模型存在種屬差異性、倫理問題及冗長的實驗周期等問題，建立一種快速、高通量、自動化以及規(guī)避種屬差異的新型藥物篩選平臺已經(jīng)成為目前全球藥物研發(fā)的燃眉之急。近來，人們已經(jīng)逐漸意識到了微流控器官芯片，尤其是整合多個器官的模仿人體代謝途徑的微流控多器官芯片，能夠補充動物實驗對于醫(yī)學(xué)研究的價值：從基礎(chǔ)生物學(xué)研究到藥物開發(fā)和測試，微流控多器官芯片通過模擬人體微環(huán)境，結(jié)合細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)培養(yǎng)健康或患病的人體細(xì)胞或組織來補充動物實驗，驗證藥效和毒性，從而縮短臨床試驗的漫長周期。

什么是微流控芯片呢？微流控芯片是一種以在微米尺度空間對流體進行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，是科學(xué)和工程領(lǐng)域最酷的技術(shù)之一，它在生物、化學(xué)工程和醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域的最前沿技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。目前，主流形式的微流控芯片是指把化學(xué)和生物等領(lǐng)域中涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測、細(xì)胞培養(yǎng)、分選、裂解等基本操作單元集成或基本集成到一塊幾平方厘米甚至更小的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，用以實現(xiàn)常規(guī)化學(xué)、生物、材料、光學(xué)等不同實驗室的各種功能的一種技術(shù)。2017年，科技部將微流控芯片定位為一種“顛覆性技術(shù)”，而微流控芯片中的重要分支——器官芯片——則被世界經(jīng)濟論壇評為2016年世界“十大新興技術(shù)”之一。

由于具有成本更低、性能更好、資源占用更少和安全性更強的優(yōu)勢，微流控芯片在日常生活中的應(yīng)用非常廣泛：在微電子領(lǐng)域，手機和電腦中有非常多微小的芯片；在機械系統(tǒng)領(lǐng)域，不管是電動汽車還是油車，里邊都有非常多的芯片；在生物化學(xué)領(lǐng)域，化學(xué)檢測以及化學(xué)物質(zhì)的傳感均需要芯片；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如人造植入式耳蝸、心臟起搏器等都有非常多的芯片。芯片的微型化不僅帶來了更安全和更環(huán)保的好處，還引領(lǐng)了集成化和系統(tǒng)化的工業(yè)革命。在這場工業(yè)革命中，我們不可避免地要提到其核心技術(shù)，我們把它叫作光刻蝕工藝，或者叫作光刻技術(shù)。光刻技術(shù)是一種用于微小尺度刻蝕的重要工藝。

下文介紹了微流控芯片的加工與制備，優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，以及微流控芯片在現(xiàn)實生活和工作中的應(yīng)用。

微流控芯片的加工與制備

我們?yōu)槭裁匆欢ㄒ膭畎研酒龅礁?，做到更微型，做到更集成呢？這是因為微型化的芯片有很多優(yōu)勢，包括成本更低、性能更好、更節(jié)約、更安全以及更環(huán)保等。在這樣的背景下，微納加工學(xué)科（micromachining）應(yīng)運而生，即利用類似集成電路和計算機芯片的工藝，將大型芯片逐漸變小，這個學(xué)科所用到的一些底層的技術(shù)和原理與集成電路和計算機的芯片是非常相似的，都是把大型芯片逐漸變小的一種工藝。在這個工藝背后形成的各種各樣的物理、化學(xué)、材料、生物等方面的知識統(tǒng)籌在一塊兒，形成了一個新的交叉學(xué)科，我們把它叫作微納加工學(xué)科。

在微納加工學(xué)科的引導(dǎo)下，在同樣的單位面積或者單位空間上，能夠高密度集成更多的芯片，使它的系統(tǒng)變得更智能、更集成、更具功能，這可能會引領(lǐng)下一代工業(yè)革命，即集成化和系統(tǒng)化的新工業(yè)革命。

在系統(tǒng)集成的過程中產(chǎn)生了一個新的名詞，即微機電系統(tǒng)（MEMS），或者叫微機械、微系統(tǒng)。就是在一個非常小的空間上能高密度地集成很多的芯片，使其具有一定的電學(xué)性能和機械性，從而變成一個具有復(fù)雜功能的系統(tǒng)。MEMS是一門綜合學(xué)科，學(xué)科交叉現(xiàn)象極其明顯，主要涉及微加工技術(shù)、機械學(xué)/固體聲波理論、熱流理論、電子學(xué)、生物學(xué)等等。MEMS器件的特征長度從1毫米到1微米（頭發(fā)的直徑大約是50微米）。

體積如此小且功能高度集成的裝置是如何制造出來的呢？MEMS的制造廣泛借鑒了集成電路中的光刻、刻蝕以及鍍膜等工藝。光刻是整個微加工工藝中技術(shù)難度最大，也是最為關(guān)鍵的技術(shù)步驟。光刻技術(shù)是一種利用光進行微小尺度刻蝕的工藝。它涉及光敏感材料、掩模板和曝光系統(tǒng)。光刻膠是一種光敏感材料，經(jīng)曝光后可以被刻蝕，因此也稱為光致抗蝕劑，受到光照后特性會發(fā)生改變，是微電子技術(shù)中微細(xì)圖形加工的關(guān)鍵材料之一，主要應(yīng)用于電子工業(yè)和印刷工業(yè)。光刻膠有正膠和負(fù)膠之分：正膠經(jīng)過曝光后，受到光照的部分變得容易溶解，經(jīng)過顯影后被溶解，只留下未受光照的部分形成圖形；而負(fù)膠卻恰恰相反，經(jīng)過曝光后，受到光照的部分會變得不易溶解，經(jīng)過顯影后留下光照部分形成圖形。掩模板上有圖案，通過光透過后將圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。曝光系統(tǒng)用于提供各種光強和波長的光。光刻工藝是較難攻克的技術(shù)之一，包括光刻膠工藝、掩模板加工工藝和曝光系統(tǒng)工藝。

光刻工藝催生了一個大家經(jīng)常聽到概念——摩爾定律。摩爾定律是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的。其內(nèi)容為：當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18～24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18～24個月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進步的速度。盡管這種趨勢已經(jīng)持續(xù)超過半個世紀(jì)，摩爾定律仍被認(rèn)為是觀測或推測，而不是一個物理或自然法。摩爾定律表明了集成系統(tǒng)越來越小，性能越來越高的趨勢。MEMS則可以通過光刻技術(shù)實現(xiàn)性能提升。

如前所述，微芯片在許多領(lǐng)域有重要應(yīng)用，如人工授精技術(shù)、微型齒輪加工技術(shù)等。那么我們可能要問，芯片變小能做什么？下面就是幾個典型的MEMS應(yīng)用。1）微鑷子：這是一個MEMS領(lǐng)域的經(jīng)典應(yīng)用，可以用于精確操作細(xì)胞，提高細(xì)胞活性。在現(xiàn)實生活中，我們可以通過人工授精技術(shù)來提高精子活性，提高輔助生殖過程的準(zhǔn)確率和成功率。2）微齒輪：微型齒輪加工技術(shù)使得機械部件更小、更輕便，從而降低能耗。3）微機器人：微機器人驅(qū)動技術(shù)通過電壓控制材料形狀的變化，微小移動機器人，實現(xiàn)機器人爬行和驅(qū)動，這些技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新為相關(guān)領(lǐng)域作出了重要貢獻(xiàn)。4）微針：通過微針技術(shù)，可以制作細(xì)針密布的微針創(chuàng)可貼，避免粗針注射的痛苦。此外，微針也可以作為傳感器，實時監(jiān)測身體性能指標(biāo)，提供補水和休息的提示，微針系統(tǒng)在治療和檢測方面具有廣泛的應(yīng)用前景。5）仿生傳感器：通過仿造蒲公英的系統(tǒng)，在檢測大氣物質(zhì)和進行胃腸鏡檢查方面具有很大的優(yōu)勢。這個小系統(tǒng)可以實現(xiàn)無線傳輸信號和拍照，使人類作業(yè)更加方便和安全。

微流控芯片加工的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

從大到小的尺度變化帶來了集成性能、成本和加工時間的優(yōu)勢，同時還可以使系統(tǒng)更便攜，功耗變得更小，并滿足批量生產(chǎn)要求。但在芯片從大到小的加工過程中會面臨多種技術(shù)挑戰(zhàn)，包括材料光學(xué)、機械力學(xué)、化學(xué)、流體學(xué)、溫度控制、電學(xué)和磁學(xué)等方面的一系列的不同。這種物理、化學(xué)、生物性質(zhì)的不同，只是我們的直覺，不能夠直接照搬到這個微小的世界中。這里我們著重討論在機械力學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和流體學(xué)這四個方面，從大到小過程當(dāng)中會發(fā)生一些什么樣的改變。

機械力學(xué) 當(dāng)世界坍塌到原來的1/10時，兩個物體之間的吸引力是如何變化的？通過分析萬有引力定律和尺寸效應(yīng)的關(guān)系，可以得出結(jié)論：吸引力會正比于尺寸效應(yīng)的4次方。當(dāng)尺寸縮小1/10，相互的吸引力會迅速變得不重要。昆蟲可以舉起比自己重十倍的物體，而人類卻不能。這些現(xiàn)象都是由于尺寸效應(yīng)引起的，說明尺寸效應(yīng)非常重要。在芯片設(shè)計過程中，宏觀經(jīng)驗不適用于微觀尺度，需要從頭積累。不同尺度的理化性質(zhì)會改變，難以用宏觀直覺和常識進行設(shè)計。通過了解體積力、面力和線性力的變化規(guī)律，可以幫助設(shè)計師在微觀芯片中進行分離和設(shè)計。在微小尺度上，面力成為主導(dǎo)力，而體積力的效應(yīng)可以忽略。因此，設(shè)計師需要考慮儲存效應(yīng)和相對重要性的變化，以適應(yīng)設(shè)計思路和理念。

生物學(xué) 當(dāng)世界坍塌到原來的1/10時，代謝速度是如何變化的？這涉及生物學(xué)中代謝速率與尺寸效應(yīng)的關(guān)系。能量代謝率與熱量損失速率相關(guān)，而能量耗散與面積相關(guān)，因此代謝速率與尺寸效應(yīng)的2次方相關(guān)，質(zhì)量與尺寸效應(yīng)的3次方相關(guān)?？巳R伯定律（Klieber's Law）證明了生物體的代謝速率和質(zhì)量呈正比。因此，代謝速率隨著動物尺寸的增大而增加，隨著尺寸的減小而降低。

物理學(xué) 在物理學(xué)中，小物體受到表面張力的影響更大，而大物體則更容易沉入水中。了解尺寸效應(yīng)可以幫助我們理解水上漂現(xiàn)象和縮放的小人國世界。

流體學(xué) 流體力學(xué)也是日常生活中重要的力學(xué)分支，涉及游泳、飛行等與流體相關(guān)的活動。雷諾數(shù)是流體力學(xué)中一個重要的物理量，它由液體的密度、速度、尺寸和黏滯系數(shù)組成。雷諾數(shù)大于4000的流體系統(tǒng)稱為湍流系統(tǒng)，而小于2000的流體系統(tǒng)稱為微觀流體或?qū)用媪餍?。湍流系統(tǒng)會產(chǎn)生渦流，而微觀流體中的流體混合會變得困難。這樣的一種從宏觀到微觀的流體力學(xué)的改變，會給我們帶來什么樣的好處呢？微流控芯片就是利用層流流體的性質(zhì)，實現(xiàn)了精準(zhǔn)的控制和預(yù)測流體走向。通過微流控芯片進行藥物組合的篩選實驗，可以更方便、準(zhǔn)確地進行藥物效果評估，提高細(xì)胞利用效率，解決傳統(tǒng)實驗面臨的麻煩和限制。

微流控芯片的應(yīng)用

微流控芯片就是利用了微觀流體特性集成的芯片系統(tǒng)，是微流控技術(shù)實現(xiàn)的主要平臺，也被稱為生物芯片、芯片實驗室。其裝置特征主要是容納流體的有效結(jié)構(gòu)（通道、反應(yīng)室和其他某些功能部件）至少在一個維度上為微米級尺度。由于微米級的結(jié)構(gòu)，流體在其中顯示和產(chǎn)生了與宏觀尺度不同的特殊性能，因此也發(fā)展出了獨特的分析性能：其具有液體流動可控、消耗試樣和試劑極少、分析速度成十上百倍地提高等特點，可以在幾分鐘甚至更短的時間內(nèi)進行上百個樣品的同時分析，并且可以在線實現(xiàn)樣品的預(yù)處理及分析全過程。

微流控技術(shù)是微流控芯片的關(guān)鍵技術(shù)，指在微米級微管中精確操縱微量流體的技術(shù)，能將樣品反應(yīng)、制備、分離、檢測等生化實驗的基本操作集成到很小的芯片上，具有高靈敏度、高集成、高通量、高效率等多種優(yōu)勢。從微流控芯片的分析性能看，其未來的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹謴V泛，并且仍在不斷拓展之中，但目前的重點顯然是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于藥物合成分析、醫(yī)療體外診斷、仿生皮膚組織器官、單細(xì)胞分析、核酸分析、藥物篩選遞送等場景。除此之外，高通量藥物合成與篩選、環(huán)境監(jiān)測、食品衛(wèi)生、刑事科學(xué)及國防等方面也會成為重要的應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)僅就微流控芯片在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用舉三個例子來闡明微流控芯片的巨大潛力。

組合藥物的篩選 微流控芯片可以實現(xiàn)藥物的混合和稀釋，形成濃度梯度。通過在芯片中放置病人自己的細(xì)胞，可以快速篩選出有效的藥物組合。實驗結(jié)果可以通過觀察細(xì)胞存活情況來判斷，從而確定最佳的藥物配比。這種組合藥物的篩選方法具有重要意義，為腫瘤治療提供了新的思路。

循環(huán)腫瘤細(xì)胞 微流控技術(shù)在篩查循環(huán)腫瘤細(xì)胞方面具有簡便、精準(zhǔn)的優(yōu)勢。通過微流系統(tǒng)中的牽引力和離心力作用，不同類型的細(xì)胞可以分開，從而實現(xiàn)對循環(huán)腫瘤細(xì)胞的計數(shù)。

人體器官芯片 微流控技術(shù)還可以模擬人體的循環(huán)系統(tǒng)，通過集成不同類型的細(xì)胞，在人體芯片中研究器官功能和藥物作用。2010年，哈佛大學(xué)唐納德·因格貝爾（Donald Ingber）等在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表的肺器官芯片是一種具有代表性的器官芯片。人體器官芯片可能讓我們擺脫動物實驗的倫理困擾。雖然目前器官芯片的有效性和功能在取代真實器官方面還存在挑戰(zhàn)，但國內(nèi)外的學(xué)者正在努力。人體器官很復(fù)雜，由多種細(xì)胞類型和三維結(jié)構(gòu)組成，因此模擬真實器官是很大的難題。引入三維微流控系統(tǒng)和打印技術(shù)可能有助于解決這一問題。雖然現(xiàn)在還無法取代真實器官，但未來令人充滿信心。

結(jié)語

總的來說，微流控芯片是一種通過微流控技術(shù)實現(xiàn)對微小體積流體精確操控的微型芯片。它具有體積小、成本低、實驗周期短、操作簡便等特點，可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、食品安全等領(lǐng)域。比如，微流體芯片技術(shù)可以在復(fù)雜系統(tǒng)中培養(yǎng)不同類型的細(xì)胞，形成多細(xì)胞群體，有望取代活體動物實驗；通過體外模擬個性化的疾病模型，可以進行個體化的藥物篩選等。隨著技術(shù)的發(fā)展，微流控芯片將越來越多地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，并實現(xiàn)更高的集成化和智能化水平。然而不可否認(rèn)的是，在將芯片應(yīng)用于臨床前，還需要克服芯片加工中物理學(xué)、機械力學(xué)、流體學(xué)和生物學(xué)等方面挑戰(zhàn)。未來十年、二十年內(nèi)，微流控芯片注定成為一種被深度產(chǎn)業(yè)化的科學(xué)技術(shù)，世界范圍內(nèi)微流控芯片的科學(xué)研究及產(chǎn)業(yè)競爭也將日趨激烈。

中國被認(rèn)為是在微流控芯片領(lǐng)域研究水平較高的國家之一，但國內(nèi)的微流控芯片產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，僅有為數(shù)不多的微流控產(chǎn)品面世，遠(yuǎn)落后于歐美等發(fā)達(dá)國家。盡管如此，我們也欣喜地發(fā)現(xiàn)，近年來中國開始有越來越多的微流控技術(shù)專家、市場化專業(yè)人士，以及科研院校、企事業(yè)單位、投資機構(gòu)關(guān)注并投身于微流控芯片產(chǎn)業(yè)化。我們有理由相信，微流控芯片在中國將成功產(chǎn)業(yè)化。

本文根據(jù)筆者在上海市科學(xué)技術(shù)普及志愿者協(xié)會主辦的“海上科普講壇”上的報告撰寫而成