微流控芯片：工作原理及选型指南
微流控芯片（也称为实验室芯片或生物芯片）是一种具有微观通道（通常宽度为5–500 µm）的微型设备，可实现对少量液体的精确操控。这些芯片广泛应用于细胞培养、液滴生成、芯片实验和器官芯片平台等领域。芯片制造所用材料在性能和兼容性方面起着至关重要的作用，因此在选型或设计芯片时，必须考虑预期的应用场景。
在本文中，我们将探讨微流控芯片的微制造工艺，并提供有关如何为您的特定应用选择最合适芯片的指导。
目录：
微流控芯片的微制造
在实验室芯片技术中，这些芯片由硅、玻璃或聚合物（如PDMS（聚二甲基硅氧烷））等材料制成。其生产方法根据所选材料而异。
以下内容大部分摘自Aryasomayajula等人撰写的《Springer纳米技术手册》（《微流控器件及其应用》）和Ren等人发表的论文《微流控芯片制造材料》[1]。
1. 硅或玻璃微流控芯片
- 第一代微流控材料，随着MEMS技术的引入而出现。
- 玻璃：透明、惰性，具有高热稳定性和化学耐受性。
- 硅：不透明但精确，可通过光刻实现亚微米级结构。
- 两者均可实现高分辨率通道，通道尺寸可达亚微米级且具有高重现性，适用于毛细管电泳（CE）、液滴形成及芯片内反应。
🛠️ 制造方法
- 硅材料：通过蚀刻和沉积技术实现的体刻蚀、表面刻蚀和埋置通道。
- 玻璃材料: 主要通过湿法/干法蚀刻和机械工艺制造。
⚠️ 限制
- 成本高，需要专业设备和有毒化学品。
- 不透气，易脆，且不适合细胞培养。
✅ 小结
硅和玻璃是高刚性材料，具有高精度和高温稳定性，但成本高且与生物或可扩展应用兼容性差——因此聚合物等替代材料应运而生。
2. 聚合物微流控芯片
- 聚合物在硅/玻璃之后出现，提供了低成本、灵活且易获取的替代方案。
- 可根据聚合物类型用于原型制作或批量生产。
🛠️ 聚合物类型及应用
🧼 弹性体（如PDMS）
- 柔性，适用于软光刻快速原型制作。
- 在学术研究中常用。
- 限制：疏水性、重现性差、耐压性低，难以批量生产。
🔍 热塑性塑料（如PMMA、COC、PC）
- 透明、生物兼容且成本低。
- 通过热模成型或注塑成型实现大规模生产的理想选择。
- 化学耐受性优于PDMS，但透气性有限，不太适合长时程细胞培养。
🔥 热固性塑料（如TPE）
- 在高温/溶剂环境下依然坚固稳定。
- 通过注塑成型制造，提供高精度。
- 由于成本较高，使用较少。
图1：（A）通过将含有微通道设计的高分辨率透明光罩曝光于光敏树脂上，制作出模具母版。（B）将液态PDMS倒在母版上，并在70°C固化1小时。（C）从母版上剥离PDMS复制件；（D）将复制件密封到平面上以封闭通道。整个过程约需24小时[2]。
✅ 小结
聚合物（尤其是用于原型制作的PDMS和用于工业化的热塑性塑料）现已成为微流控的首选材料，因其成本低、易加工且适用于多种应用。
3. 纸基微流控芯片
- 纸张多孔、由纤维素构成，可通过毛细作用自然吸液。
- 通道通过疏水图案化形成，将液体引导至亲水区域。
- 无需外部泵浦——液体被动流动。
🛠️ 制造方法
✅ 成本低且简单，非常适合便携式诊断工具。
常用技术：
- 蜡印刷（最普及）
- 喷墨印刷
- 柔版印刷
- 丝网印刷
- 光刻
- 纸张切割
在蜡印刷中，先生成图案，再加热熔化蜡以形成疏水屏障，从而引导液体流动。
⚠️ 限制
- 最小通道宽度约200 µm（而PDMS/玻璃可达约20 µm）。
- 对低表面张力液体的液体封闭性差。
- 与外部加压系统或泵不兼容。
- 至今已展示的高级微流控应用较少。
✅ 为什么使用纸基？
- 超低成本、一次性且易于制造。
- 非常适合现场快速检测和个性化诊断。
- 无需外部电源或设备。
4. 水凝胶微流控芯片
- 水凝胶是亲水、多孔、生物兼容的三维聚合物网络（天然或合成），可吸收超过90%的水分。
- 非常适合包埋细胞，创建类组织的生物环境和受控的三维微环境。
- 常见类型：琼脂糖、Matrigel、PEG-DA、海藻酸盐、壳聚糖。
为什么在微流控中使用水凝胶？
✅ 生物兼容——支持细胞存活和组织功能。
✅ 可渗透——促进营养物质、药物和信号分子的扩散。
✅ 透明——便于显微镜观察和成像。
✅ 模拟体内环境——有助于实现真实的三维细胞培养和化学梯度。
图2：（A）培养皿中放置了3个微设备，其中包含一个中央培养室（详见C）及6条通道。（B）一个微设备中填充（微黄色）胶原蛋白水凝胶，从右侧中通道流入中央培养室，同时两侧微通道灌注蓝色水液。（C）培养基通过侧通道灌注。（D）在微设备中使用荧光染料进行细胞监测[3]。
🛠️ 制造方法
在微流控系统中集成水凝胶的方法多种多样，包括基于柔性光刻的牺牲性或可重复使用模板法、光聚合、局部集成等[4]。
- 柔性光刻
- 使用模具（PDMS或光刻胶）。
- 倒入液态凝胶，固化后剥离。
- 可制作二维及层状准三维水凝胶微结构。
- 光聚合
- 利用紫外光实现高分辨率结构化。
- 三种方法：均匀曝光、基于光罩的印刷、直接写入。
- 实现精确的三维微结构。
- 局部集成/共层流
- 凝胶在微通道中并列流动，形成层状结构。
- 随后进行原位固化。
- 有助于构建动态多层结构。
- 牺牲模板
- 将可降解的三维模板涂覆凝胶后溶解，形成通道。
- 可构建复杂的类血管结构（如组织支架）。
⚠️ 挑战
- 在真正三维环境中精确控制几何形状十分复杂。
- 需要优化凝胶配方以兼顾固化性和生物兼容性。
- 某些凝胶可能机械强度低且批次差异较大（如Matrigel）。
芯片选型指南
- 确定您的用途：液滴混合、细胞测定、DNA分析等。
- 根据流动需求匹配通道设计：直通道、Y形、十字或H形网络。
1. 根据应用选择芯片材料
- 硅：化学稳定且导热性好，但不透明且易脆。
- 玻璃：透明、惰性、生物兼容，耐高压；适用于光学测定，但加工成本高。
- 聚合物（PDMS、PMMA、COC、PS、PC）：
- PDMS：在研究中备受青睐——生物兼容、透气、柔韧、易于原型制作，但疏水且不适合高压环境。
- 热塑性塑料：自发荧光低、光学性能优异，可通过注塑成型实现规模生产。
2. 精准设计流路
- 根据流动需求选择通道类型（直通道、Y/十字/H形网络）。
- 根据芯片和管路几何形状进行阻力及剪切计算；使用工具可计算理想压力和流量范围。
3. 设置合适的压力/流量
- 在中等压力范围内工作（例如，对于2 bar系统，使用0.5–1.5 bar），以获得最佳分辨率。
- 调整管路长度和直径以微调阻力，同时避免堵塞。
4. 减少堵塞并控制剪切
- 狭窄通道会增加堵塞风险和阻力——建议选择适中尺寸。
- 通过压力调节控制剪切应力，尤其适用于脆弱细胞。
5. 确保系统兼容性
- 确认芯片、管路、泵/控制器、涂层和检测器之间的兼容性。
- 使用Fluigent或其他系统时，优先选择即插即用的集成方案。
摘要表
| 步骤 | 关键要点 |
|---|---|
| 定义应用 | 确定测定类型（如细胞、DNA、液滴、器官芯片） |
| 选择材料及制造 | 平衡光学清晰度、耐压能力和成本 |
| 设计微通道及管路 | 选择几何形状；根据目标流量/阻力确定尺寸 |
| 计算并优化流量/压力 | 使用计算工具；保持系统中等工况 |
| 检查集成就绪度 | 确保物理及功能兼容 |
有用工具及资源
- 计算器：压力与流量、剪切应力、液滴尺寸
- 材料指南：PDMS、玻璃、聚合物、硅的优缺点
- 涂层及表面处理：调整疏/亲水平衡，减少非特异性吸附
最终要点
要选择理想的微流控芯片，请从一开始就明确需求——应用→材料→设计→流体控制→系统兼容性。使用计算工具和既定指南，打造高效、精确、可靠且无不必要成本与复杂度的芯片。
- Ren, K., Zhou, J. & Wu, H. Materials for microfluidic chip fabrication. Acc. Chem. Res. 46, 2396–2406 (2013).
- McDonald, J. C. & Whitesides, G. M. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices. Acc. Chem. Res. 35, 491–499 (2002).
- Ayuso, J. M. et al. Development and characterization of a microfluidic model of the tumour microenvironment. Sci. Rep. 6, 1–16 (2016).
- Zhang, X., Li, L. & Luo, C. Gel integration for microfluidic applications. Lab Chip 16, 1757–1776 (2016).
