丁显廷
上海交通大学生物医学工程学院特聘教授，国际合作交流处副处长
众所周知，药物在上市前的临床试验过程中，按传统主要依赖动物模型完成大量的毒性、动力学及药效评价。由于动物模型存在种属差异性、伦理问题及冗长的实验周期等问题，建立一种快速、高通量、自动化以及规避种属差异的新型药物筛选平台已经成为目前全球药物研发的燃眉之急。近来，人们已经逐渐意识到了微流控器官芯片，尤其是整合多个器官的模仿人体代谢途径的微流控多器官芯片，能够补充动物实验对于医学研究的价值：从基础生物学研究到药物开发和测试，微流控多器官芯片通过模拟人体微环境，结合细胞培养技术培养健康或患病的人体细胞或组织来补充动物实验，验证药效和毒性，从而缩短临床试验的漫长周期。
什么是微流控芯片呢？微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，是科学和工程领域最酷的技术之一，它在生物、化学工程和医学检测领域的最前沿技术发展中发挥着重要作用。目前，主流形式的微流控芯片是指把化学和生物等领域中涉及的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米甚至更小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学、生物、材料、光学等不同实验室的各种功能的一种技术。2017年，科技部将微流控芯片定位为一种“颠覆性技术”，而微流控芯片中的重要分支——器官芯片——则被世界经济论坛评为2016年世界“十大新兴技术”之一。
由于具有成本更低、性能更好、资源占用更少和安全性更强的优势，微流控芯片在日常生活中的应用非常广泛：在微电子领域，手机和电脑中有非常多微小的芯片；在机械系统领域，不管是电动汽车还是油车，里边都有非常多的芯片；在生物化学领域，化学检测以及化学物质的传感均需要芯片；在医学领域，如人造植入式耳蜗、心脏起搏器等都有非常多的芯片。芯片的微型化不仅带来了更安全和更环保的好处，还引领了集成化和系统化的工业革命。在这场工业革命中，我们不可避免地要提到其核心技术，我们把它叫作光刻蚀工艺，或者叫作光刻技术。光刻技术是一种用于微小尺度刻蚀的重要工艺。
下文介绍了微流控芯片的加工与制备，优势和挑战，以及微流控芯片在现实生活和工作中的应用。
微流控芯片的加工与制备
我们为什么一定要鼓励把芯片做到更小，做到更微型，做到更集成呢？这是因为微型化的芯片有很多优势，包括成本更低、性能更好、更节约、更安全以及更环保等。在这样的背景下，微纳加工学科（micromachining）应运而生，即利用类似集成电路和计算机芯片的工艺，将大型芯片逐渐变小，这个学科所用到的一些底层的技术和原理与集成电路和计算机的芯片是非常相似的，都是把大型芯片逐渐变小的一种工艺。在这个工艺背后形成的各种各样的物理、化学、材料、生物等方面的知识统筹在一块儿，形成了一个新的交叉学科，我们把它叫作微纳加工学科。
在微纳加工学科的引导下，在同样的单位面积或者单位空间上，能够高密度集成更多的芯片，使它的系统变得更智能、更集成、更具功能，这可能会引领下一代工业革命，即集成化和系统化的新工业革命。
在系统集成的过程中产生了一个新的名词，即微机电系统（MEMS），或者叫微机械、微系统。就是在一个非常小的空间上能高密度地集成很多的芯片，使其具有一定的电学性能和机械性，从而变成一个具有复杂功能的系统。MEMS是一门综合学科，学科交叉现象极其明显，主要涉及微加工技术、机械学/固体声波理论、热流理论、电子学、生物学等等。MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米（头发的直径大约是50微米）。
体积如此小且功能高度集成的装置是如何制造出来的呢？MEMS的制造广泛借鉴了集成电路中的光刻、刻蚀以及镀膜等工艺。光刻是整个微加工工艺中技术难度最大，也是最为关键的技术步骤。光刻技术是一种利用光进行微小尺度刻蚀的工艺。它涉及光敏感材料、掩模板和曝光系统。光刻胶是一种光敏感材料，经曝光后可以被刻蚀，因此也称为光致抗蚀剂，受到光照后特性会发生改变，是微电子技术中微细图形加工的关键材料之一，主要应用于电子工业和印刷工业。光刻胶有正胶和负胶之分：正胶经过曝光后，受到光照的部分变得容易溶解，经过显影后被溶解，只留下未受光照的部分形成图形；而负胶却恰恰相反，经过曝光后，受到光照的部分会变得不易溶解，经过显影后留下光照部分形成图形。掩模板上有图案，通过光透过后将图案转移到光刻胶上。曝光系统用于提供各种光强和波长的光。光刻工艺是较难攻克的技术之一，包括光刻胶工艺、掩模板加工工艺和曝光系统工艺。
光刻工艺催生了一个大家经常听到概念——摩尔定律。摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18～24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18～24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。尽管这种趋势已经持续超过半个世纪，摩尔定律仍被认为是观测或推测，而不是一个物理或自然法。摩尔定律表明了集成系统越来越小，性能越来越高的趋势。MEMS则可以通过光刻技术实现性能提升。
图1 光刻技术的基本流程
如前所述，微芯片在许多领域有重要应用，如人工授精技术、微型齿轮加工技术等。那么我们可能要问，芯片变小能做什么？下面就是几个典型的MEMS应用。1）微镊子：这是一个MEMS领域的经典应用，可以用于精确操作细胞，提高细胞活性。在现实生活中，我们可以通过人工授精技术来提高精子活性，提高辅助生殖过程的准确率和成功率。2）微齿轮：微型齿轮加工技术使得机械部件更小、更轻便，从而降低能耗。3）微机器人：微机器人驱动技术通过电压控制材料形状的变化，微小移动机器人，实现机器人爬行和驱动，这些技术的应用与创新为相关领域作出了重要贡献。4）微针：通过微针技术，可以制作细针密布的微针创可贴，避免粗针注射的痛苦。此外，微针也可以作为传感器，实时监测身体性能指标，提供补水和休息的提示，微针系统在治疗和检测方面具有广泛的应用前景。5）仿生传感器：通过仿造蒲公英的系统，在检测大气物质和进行胃肠镜检查方面具有很大的优势。这个小系统可以实现无线传输信号和拍照，使人类作业更加方便和安全。
微流控芯片加工的优势和挑战
从大到小的尺度变化带来了集成性能、成本和加工时间的优势，同时还可以使系统更便携，功耗变得更小，并满足批量生产要求。但在芯片从大到小的加工过程中会面临多种技术挑战，包括材料光学、机械力学、化学、流体学、温度控制、电学和磁学等方面的一系列的不同。这种物理、化学、生物性质的不同，只是我们的直觉，不能够直接照搬到这个微小的世界中。这里我们着重讨论在机械力学、生物学、物理学和流体学这四个方面，从大到小过程当中会发生一些什么样的改变。
机械力学当世界坍塌到原来的1/10时，两个物体之间的吸引力是如何变化的？通过分析万有引力定律和尺寸效应的关系，可以得出结论：吸引力会正比于尺寸效应的4次方。当尺寸缩小1/10，相互的吸引力会迅速变得不重要。昆虫可以举起比自己重十倍的物体，而人类却不能。这些现象都是由于尺寸效应引起的，说明尺寸效应非常重要。在芯片设计过程中，宏观经验不适用于微观尺度，需要从头积累。不同尺度的理化性质会改变，难以用宏观直觉和常识进行设计。通过了解体积力、面力和线性力的变化规律，可以帮助设计师在微观芯片中进行分离和设计。在微小尺度上，面力成为主导力，而体积力的效应可以忽略。因此，设计师需要考虑储存效应和相对重要性的变化，以适应设计思路和理念。
生物学当世界坍塌到原来的1/10时，代谢速度是如何变化的？这涉及生物学中代谢速率与尺寸效应的关系。能量代谢率与热量损失速率相关，而能量耗散与面积相关，因此代谢速率与尺寸效应的2次方相关，质量与尺寸效应的3次方相关。克莱伯定律（Klieber's Law）证明了生物体的代谢速率和质量呈正比。因此，代谢速率随着动物尺寸的增大而增加，随着尺寸的减小而降低。
物理学在物理学中，小物体受到表面张力的影响更大，而大物体则更容易沉入水中。了解尺寸效应可以帮助我们理解水上漂现象和缩放的小人国世界。
流体学流体力学也是日常生活中重要的力学分支，涉及游泳、飞行等与流体相关的活动。雷诺数是流体力学中一个重要的物理量，它由液体的密度、速度、尺寸和黏滞系数组成。雷诺数大于4000的流体系统称为湍流系统，而小于2000的流体系统称为微观流体或层面流行。湍流系统会产生涡流，而微观流体中的流体混合会变得困难。这样的一种从宏观到微观的流体力学的改变，会给我们带来什么样的好处呢？微流控芯片就是利用层流流体的性质，实现了精准的控制和预测流体走向。通过微流控芯片进行药物组合的筛选实验，可以更方便、准确地进行药物效果评估，提高细胞利用效率，解决传统实验面临的麻烦和限制。
图2 微流控芯片的实物图
微流控芯片的应用
微流控芯片就是利用了微观流体特性集成的芯片系统，是微流控技术实现的主要平台，也被称为生物芯片、芯片实验室。其装置特征主要是容纳流体的有效结构（通道、反应室和其他某些功能部件）至少在一个维度上为微米级尺度。由于微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能，因此也发展出了独特的分析性能：其具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十上百倍地提高等特点，可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。
微流控技术是微流控芯片的关键技术，指在微米级微管中精确操纵微量流体的技术，能将样品反应、制备、分离、检测等生化实验的基本操作集成到很小的芯片上，具有高灵敏度、高集成、高通量、高效率等多种优势。从微流控芯片的分析性能看，其未来的应用领域将十分广泛，并且仍在不断拓展之中，但目前的重点显然是在生物医学领域，可用于药物合成分析、医疗体外诊断、仿生皮肤组织器官、单细胞分析、核酸分析、药物筛选递送等场景。除此之外，高通量药物合成与筛选、环境监测、食品卫生、刑事科学及国防等方面也会成为重要的应用领域。现仅就微流控芯片在生物医学领域的应用举三个例子来阐明微流控芯片的巨大潜力。
图3 微流控芯片用于药物组合优化和筛选的示意图
组合药物的筛选微流控芯片可以实现药物的混合和稀释，形成浓度梯度。通过在芯片中放置病人自己的细胞，可以快速筛选出有效的药物组合。实验结果可以通过观察细胞存活情况来判断，从而确定最佳的药物配比。这种组合药物的筛选方法具有重要意义，为肿瘤治疗提供了新的思路。
循环肿瘤细胞微流控技术在筛查循环肿瘤细胞方面具有简便、精准的优势。通过微流系统中的牵引力和离心力作用，不同类型的细胞可以分开，从而实现对循环肿瘤细胞的计数。
人体器官芯片微流控技术还可以模拟人体的循环系统，通过集成不同类型的细胞，在人体芯片中研究器官功能和药物作用。2010年，哈佛大学唐纳德·因格贝尔（Donald Ingber）等在《科学》（Science）杂志上发表的肺器官芯片是一种具有代表性的器官芯片。人体器官芯片可能让我们摆脱动物实验的伦理困扰。虽然目前器官芯片的有效性和功能在取代真实器官方面还存在挑战，但国内外的学者正在努力。人体器官很复杂，由多种细胞类型和三维结构组成，因此模拟真实器官是很大的难题。引入三维微流控系统和打印技术可能有助于解决这一问题。虽然现在还无法取代真实器官，但未来令人充满信心。
结语
总的来说，微流控芯片是一种通过微流控技术实现对微小体积流体精确操控的微型芯片。它具有体积小、成本低、实验周期短、操作简便等特点，可广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全等领域。比如，微流体芯片技术可以在复杂系统中培养不同类型的细胞，形成多细胞群体，有望取代活体动物实验；通过体外模拟个性化的疾病模型，可以进行个体化的药物筛选等。随着技术的发展，微流控芯片将越来越多地应用于各个领域，并实现更高的集成化和智能化水平。然而不可否认的是，在将芯片应用于临床前，还需要克服芯片加工中物理学、机械力学、流体学和生物学等方面挑战。未来十年、二十年内，微流控芯片注定成为一种被深度产业化的科学技术，世界范围内微流控芯片的科学研究及产业竞争也将日趋激烈。
中国被认为是在微流控芯片领域研究水平较高的国家之一，但国内的微流控芯片产业仍处于起步阶段，仅有为数不多的微流控产品面世，远落后于欧美等发达国家。尽管如此，我们也欣喜地发现，近年来中国开始有越来越多的微流控技术专家、市场化专业人士，以及科研院校、企事业单位、投资机构关注并投身于微流控芯片产业化。我们有理由相信，微流控芯片在中国将成功产业化。
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本文根据笔者在上海市科学技术普及志愿者协会主办的“海上科普讲坛”上的报告撰写而成