集成纳米系统研究设施

微流体科学

“一滴一滴地”
安娜·林恩·斯皮策|界面杂志

prfs-microfluidic-devices微技术和纳米技术在规模上有所不同,但没有什么地方能像微流控芯片上的超小通道那样无缝地融合在一起。

微流体学通常被称为芯片上的实验室,是一门操纵、混合、计量和分析芯片表面微小液体或气体体积(从微升到皮升)的科学。UCI微纳米流体基础研究中心(MF3)的开发经理吉塞拉·林(Gisela Lin)说:“这就像拿着烧杯、混合器和其他所有设备的实验室工作台,然后把它缩小。”

MF3成立于2006年,由DARPA和10家公司合作伙伴提供1250万美元的资金
来自12所大学的研究人员的目标是推进微流体研究和开发潜在的应用。

MF3董事安倍•李(Abe Lee)表示:“过去,每个人都在开发自己的技术,没有多少合作或协作。”“MF3的部分功能是连接行业和学术界。”

如今,该中心与当地公司、劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)和美国宇航局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research center)密切合作。

“这是微流体研究的一种新思路,”林说。“很多人都明白这一点,但他们实际上并不这么做,而在MF3,我们实际上正在尝试这么做。”

微流控芯片用于在微和纳米尺度上产生生物或化学反应。但是液体和气体在这些尺度上具有不同的性质。林解释说:“在微观尺度上,水会变得更稠,更有粘性。”在纳米尺度上,这种现象更加明显。

因此,要在芯片上产生必要的反应,就需要构造能够有效引导分子相互作用的装置。泵、阀门和喷嘴使液体或气体通过芯片的通道,迫使分子相互混合并发生反应。这些反应产生的结果可以通过电信号、颜色变化、重量变化或其他指标来量化。

MF3专注于医疗诊断——制造廉价的、一次性的、用于检测血液、水和其他液体的自动化芯片。通过在塑料、纸张和印刷电路板等低成本材料上制造微流体,这些即时诊断技术可以很容易地在第三世界国家或军队中使用。此外,在印刷电路板上制造的芯片可以随时与手机或平板电脑连接,使基于实地的测试结果能够传输到医生办公室、军事诊所或实验室。

林预计,这种绷带会像绷带一样经过消毒和包装,而且很容易买到。比邮票还小的芯片也许有一天可以从一滴血中进行多次检测,而制造这种芯片的成本大约为一美分。

“如果我们没有微和纳米技术,这些芯片将有一张桌子那么大,”她说。

微流体技术还可能开启治疗阿尔茨海默症、帕金森症、多发性硬化症和其他神经退行性疾病的方法。

神经学助理教授Lisa Flanagan正在使用微流控设备试图确定神经干细胞成为祖细胞时所使用的途径。这些祖细胞分化为三种特定类型:神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞,每一种都在大脑和脊髓中有精确的功能。

在某些疾病或受伤的情况下,身体需要星形胶质细胞;在另一些情况下,少树突细胞或神经元是答案。移植分化的细胞本身不起作用;成熟细胞最终会死亡。所以科学家们想尝试移植祖细胞,让它们在体内分化。

但是他们不能确定未分化的神经干细胞是如何变成能够产生它们想要的东西的祖细胞的。弗拉纳根说,问题在于缺乏识别信息。她说:“在标记出我们感兴趣的细胞以了解其生物学方面,我们确实落后于(其他领域)。”

经过多次试验和错误,她和Abe Lee找到了一种方法来评估神经干细胞对微流控芯片上电场的反应,并据此分离细胞——一种称为介质电泳的技术。

“我们的最终目标是分离这些细胞,然后使用传统的生物技术来确定祖细胞之间的区别,”她说。“我们可以开始了解细胞的谱系树。并更好地了解哪种细胞适合移植治疗某些疾病和损伤。”

安倍·李(Abe Lee)看到了该技术在市场上的进步。他说:“所有主要的诊断公司要么在其产品中已经有了微型晶片组件或微流控通道,要么就在我们说话的时候正在制造这些。”

和未来?“微流体技术还没有改变世界,但它正在一点一点地改变世界。”