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Home » 微流体博客 » 微流控芯片:工作原理及选型指南

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: 

  1. 微流控芯片的微制造 
  • 硅或玻璃 
  • 聚合物 
  • 纸基 
  • 水凝胶 
  1. 应用选型指南 

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。 

Microfabrication of Microfluidic Chips with glass
Microfabrication of Microfluidic Chips with silicon

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。
polymer chip

🛠️ 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。 
pdms production microfluidic chip

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。 

纸基微流控芯片

⚠️ 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。 

水凝胶微流控芯片

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]。 

  1. 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。 

  1. 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。 
  1. 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。 
  1. 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。 

  1. Ren, K., Zhou, J. & Wu, H. Materials for microfluidic chip fabrication. Acc. Chem. Res. 46, 2396–2406 (2013). 
  2. McDonald, J. C. & Whitesides, G. M. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices. Acc. Chem. Res. 35, 491–499 (2002). 
  3. Ayuso, J. M. et al. Development and characterization of a microfluidic model of the tumour microenvironment. Sci. Rep. 6, 1–16 (2016). 
  4. Zhang, X., Li, L. & Luo, C. Gel integration for microfluidic applications. Lab Chip 16, 1757–1776 (2016). 

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