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導(dǎo)讀

2025年諾貝爾化學(xué)獎已正式揭曉，三位科學(xué)家憑借在 “金屬-有機(jī)框架（MOF）開發(fā)領(lǐng)域的奠基性工作”斬獲該獎項。作為一類極具應(yīng)用潛力的功能材料，MOF的核心特征是其內(nèi)部存在大量規(guī)則空腔，可允許氣體及其他化學(xué)物質(zhì)的分子自由進(jìn)出并實現(xiàn)吸附與釋放。

這類材料的研發(fā)思路常以“樂高積木”作類比——金屬離子作為核心“積木塊”，通過配位鍵與有機(jī)配體這一“連接件”進(jìn)行精準(zhǔn)組裝，形成多樣的三維框架結(jié)構(gòu)，這種可設(shè)計、可組合的特性也讓“樂高積木”的玩法被上升為材料領(lǐng)域的“構(gòu)建哲學(xué)”。

事實上，這一“構(gòu)建哲學(xué)”已在多領(lǐng)域研究中得到延伸應(yīng)用。西南科技大學(xué)李國強(qiáng)領(lǐng)銜的團(tuán)隊便將其融入微流控芯片研究，相關(guān)成果近期已刊載于《先進(jìn)材料》（

Advanced Materials

李國強(qiáng)

西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院院長博士生導(dǎo)師

曹墨源

南開大學(xué)新能源材料化學(xué)研究所特聘研究員

博士生導(dǎo)師

劉嘉松

南開大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院博士生

自然界的許多生物演化了獨特的結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)對微小液滴的操控。濱鳥鳥喙的往復(fù)開合運動可以將液滴反重力地運輸至嘴部。一些蜥蜴則進(jìn)化出了具有微小開放通道的皮膚，蜥蜴只需要將足支伸進(jìn)水里，僅依靠皮膚上的毛細(xì)系統(tǒng)，就能汲取到所需要的水分，而不需要低頭喝水，確保持續(xù)警惕周圍的環(huán)境。

而人類對液滴的操控與利用同人類本身的歷史一樣悠久，早在17世紀(jì)，科學(xué)家們便開始探索毛細(xì)現(xiàn)象和微小通道中的流體行為，為微流控奠定了初步的理論基礎(chǔ)。如今，微流控技術(shù)已發(fā)展成為一門高度交叉的前沿學(xué)科，它通過設(shè)計精密的微通道結(jié)構(gòu)，能夠在極小尺度上操控納升至皮升級別的流體，實現(xiàn)對細(xì)胞、顆粒、液滴的精準(zhǔn)輸運、分離、混合與分析。這一特性使其在單細(xì)胞分析、器官芯片、即時檢測等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。

然而，盡管在基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)方面已取得顯著進(jìn)展，但“精準(zhǔn)移取微量試劑”、“多樣化檢測需求”、“一步錯步步錯”的微流控器件問題仍然是業(yè)界難題。正因如此，發(fā)展高集成度、可編程化和更好生物相容性的微流控平臺已成為一個至關(guān)重要的研究方向。

開放通道微流控器件面臨的挑戰(zhàn)

無與倫比的易訪問性與操作簡便性是開放通道微流控設(shè)備最直接、最突出的優(yōu)點。

研究者可以隨時、直接使用移液槍、探針或顯微操作儀接觸到通道內(nèi)的樣品，進(jìn)行添加、移除、混合或刺激等操作，而無需通過復(fù)雜的進(jìn)口和閥門。無需復(fù)雜的泵送系統(tǒng)來驅(qū)替通道內(nèi)的空氣，只需用移液槍將液滴直接加在通道入口或特定位置即可，極大地簡化了上樣流程。

同時芯片易于清洗和重復(fù)使用，通道是開放的，沒有永久性鍵合，因此清洗非常簡單徹底，只需擦拭或沖洗，避免了封閉通道中常見的堵塞和殘留問題，芯片可重復(fù)使用率更高。

開放通道微流控器件進(jìn)行CO2的吸收

然而這一類器件通常是結(jié)構(gòu)固定的，難以進(jìn)行相互組裝配合，其路徑形狀、運動行為受到嚴(yán)重制約。因此在實際應(yīng)用的過程中仍然有著不同程度的局限性。

模塊化微流控：從固定芯片到功能樂高的革命性演進(jìn)

模塊化微流控（Modular Microfluidics）是微流控技術(shù)領(lǐng)域一次深刻的范式轉(zhuǎn)變。它摒棄了傳統(tǒng)“一 chip 一用”的固定、封閉設(shè)計思路，轉(zhuǎn)而借鑒“樂高積木”的構(gòu)建哲學(xué)，將復(fù)雜的微流控系統(tǒng)分解為一系列具有獨立功能、可自由拼接和組合的標(biāo)準(zhǔn)單元模塊。

樂高拼圖概念微流控芯片

這些功能模塊通常包括：微泵、微閥、混合器、反應(yīng)器、檢測單元、細(xì)胞培養(yǎng)室等。研究者可以根據(jù)特定的實驗需求，像搭積木一樣，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口（如物理卡扣、磁性連接或流體插頭）將這些模塊快速組裝成一個完整、可定制的微流控系統(tǒng)。

其核心優(yōu)勢在于極高的靈活性與可重構(gòu)性。一個模塊化平臺無需重新設(shè)計、加工整個芯片，即可輕松實現(xiàn)功能切換或流程優(yōu)化，極大地加速了實驗迭代和原型開發(fā)速度。同時，它顯著降低了使用門檻和成本——某個單一模塊的損壞只需更換該單元，而非拋棄整個昂貴芯片，這使得在資源有限的實驗室或課堂教育中普及微流控技術(shù)成為可能。

此外，模塊化微流控極大地促進(jìn)了跨學(xué)科合作。生物學(xué)家、化學(xué)家或臨床醫(yī)生無需精通微加工技術(shù)，也能通過組合預(yù)制的功能模塊，自主構(gòu)建滿足其專業(yè)需求的個性化實驗平臺。

目前，模塊化微流控正成為即時診斷（POCT）、合成生物學(xué)、器官芯片（Organ-on-a-Chip）和空間組學(xué)等前沿領(lǐng)域的強(qiáng)大助推器。它不僅是技術(shù)上的創(chuàng)新，更代表了一種開放、協(xié)作、可擴(kuò)展的新理念，正在重塑我們操控微觀流體的方式，推動生命科學(xué)研究和醫(yī)療應(yīng)用走向一個更高效、更靈活的未來。

1

方向性模塊化微流控

方向性是微流控技術(shù)中一個專注于操控流體定向流動的重要分支，其核心目標(biāo)是通過設(shè)計芯片自身的微觀結(jié)構(gòu)或表面特性，實現(xiàn)流體在特定方向上的自主、可控輸運，從而減少對外部泵閥系統(tǒng)的依賴。這一領(lǐng)域的關(guān)鍵在于創(chuàng)造流動阻力的各向異性，使流體在不同方向上遇到不同的阻力。主要實現(xiàn)策略包括利用表面化學(xué)不對稱性（如在通道內(nèi)制造親疏水性梯度，驅(qū)動流體從疏水區(qū)域流向親水區(qū)域）、幾何結(jié)構(gòu)不對稱性（如采用楔形通道、溝槽結(jié)構(gòu)或特斯拉閥等設(shè)計，利用毛細(xì)力差引導(dǎo)定向流動）以及外場驅(qū)動不對稱性（如通過表面聲波或不對稱電極產(chǎn)生定向驅(qū)動力）。這些方法往往結(jié)合使用，形成聯(lián)合驅(qū)動策略，以增強(qiáng)定向輸運效果。

方向性微流控在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用價值。

• 在診斷檢測中，它使自驅(qū)動試紙（如高級側(cè)向?qū)游鲈嚰垼┠軌蛞揽棵?xì)作用實現(xiàn)樣品的定向流動與檢測；

• 在仿生系統(tǒng)中，它可模擬植物的水分輸運機(jī)制，為長期細(xì)胞培養(yǎng)提供自驅(qū)動的營養(yǎng)供應(yīng)；

• 在混合與分離過程中，不對稱結(jié)構(gòu)可驅(qū)動流體產(chǎn)生定向渦流，實現(xiàn)高效混合與分離；

• 在可穿戴設(shè)備中，定向微流道能夠?qū)崿F(xiàn)汗液的持續(xù)收集與輸運，助力實時健康監(jiān)測。

總體而言，方向性微流控不僅推動了微流控器件向更簡化、可靠和節(jié)能的方向發(fā)展，也為智能仿生系統(tǒng)與即時診斷技術(shù)的創(chuàng)新提供了關(guān)鍵支持。

具有方向性的概念微流控

2

可編輯微流控

可編輯則是微流控技術(shù)領(lǐng)域一個前沿而富有前景的方向，它賦予了微流控芯片動態(tài)可重構(gòu)的能力，使研究人員能夠像在計算機(jī)上編輯文檔一樣，在同一個硬件平臺上通過軟件指令或簡單操作，靈活、實時地修改流道功能、連接路徑和實驗流程，而無需更換芯片或其物理結(jié)構(gòu)。它超越了模塊化微流控的“硬件拼接”理念，致力于實現(xiàn)更高程度的軟件定義流路和時空動態(tài)控制。

實現(xiàn)可編輯性的技術(shù)路徑多樣，比如數(shù)字微流控，通過在二維電極陣列上施加不同的電壓序列，實現(xiàn)對離散液滴的精確操控（如移動、分裂、合并），其流路功能完全由軟件定義的電極激活模式所決定，具有極高的靈活性。除此之外還有磁控微流控，將摻有磁性顆粒的智能材料（如磁流體、磁性水凝膠）作為“活動部件”，通過外部磁場的變化來動態(tài)調(diào)節(jié)閥門的開閉、泵的運作甚至流道的形狀。

可編輯微流控的應(yīng)用價值巨大。

• 在細(xì)胞研究中，它允許在一塊芯片上先后運行截然不同的實驗。例如先進(jìn)行動態(tài)濃度梯度培養(yǎng)以篩選藥物，隨后立即重構(gòu)流路，將特定響應(yīng)細(xì)胞進(jìn)行分離和收集，極大提升了研究效率和單芯片的利用率。

• 在合成化學(xué)領(lǐng)域，它像一個可編程的微型化工廠，研究人員可通過軟件快速嘗試不同的反應(yīng)物混合順序、反應(yīng)停留時間等參數(shù)，加速反應(yīng)條件的優(yōu)化過程。

• 在器官芯片領(lǐng)域，可編輯性意味著能夠動態(tài)模擬生理或病理條件下血流的變化，例如通過軟件控制瞬間“阻塞”某一通道來模擬心肌梗塞，以研究缺血對心臟組織的影響。

可編輯的概念微流控

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飛秒激光加工：為微流控器件制造注入“精準(zhǔn)”與“自由”

在模塊化微流控器件的制造過程中，飛秒激光加工技術(shù)正扮演著一位如同擁有“神之手”的工匠角色。其獨特的“超快超強(qiáng)”特性，即以極高的峰值功率在百萬億分之一秒的極短時間內(nèi)與材料相互作用，帶來了“冷加工”效應(yīng)，使得它能夠以前所未有的精度、幾乎無材料限制的方式，實現(xiàn)復(fù)雜的三維微納結(jié)構(gòu)制造，極大地推動了模塊化微流控的發(fā)展。

飛秒激光焦點可以精確定位于透明材料（如玻璃、石英、PDMS）內(nèi)部的任意一點，通過非線性吸收效應(yīng)，只改變焦點區(qū)域的物質(zhì)性質(zhì)，從而實現(xiàn)在材料內(nèi)部“直寫”三維流道、空腔和連接孔，無需層層鍵合，避免了接口和死體積問題。從聚合物、玻璃到陶瓷甚至金屬，飛秒激光幾乎可以在任何材料上實現(xiàn)高質(zhì)量微加工。這為制造具有不同功能需求（如生物相容性、光學(xué)性能、機(jī)械強(qiáng)度）的模塊提供了極大的材料選擇自由度。

同時飛秒激光的加工精度可達(dá)亞微米級別，并能獲得異常光滑的通道內(nèi)壁（粗糙度<100 nm），這顯著減少了流體流動的阻力，并最大程度降低了生物分子吸附和細(xì)胞粘附的風(fēng)險，對于細(xì)胞培養(yǎng)和敏感檢測模塊至關(guān)重要。

維也納理工大學(xué)與慶應(yīng)義塾大學(xué)的研究人員已經(jīng)可以直接在生物相容性水凝膠（如GelMA）內(nèi)部，用飛秒激光“雕刻”出高度仿真的3D毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)或肝小葉結(jié)構(gòu)。然后將這個包含精細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的凝膠模塊作為一個整體，與其他流體控制、傳感模塊進(jìn)行集成，構(gòu)建出高度仿生的模塊化器官芯片系統(tǒng)。

肝小葉結(jié)構(gòu)示意圖（左）與芯片上血管化肝小葉培養(yǎng)9天后的三維視圖（右）

模塊化微流控器件產(chǎn)業(yè)化與展望

模塊化微流控器件的應(yīng)用正以前所未有的靈活性重塑多個領(lǐng)域的研究范式。通過將復(fù)雜功能分解為標(biāo)準(zhǔn)化的可互換模塊，研究人員能夠像搭建樂高積木一樣快速構(gòu)建定制化實驗平臺。

在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，模塊化微流控展現(xiàn)出巨大潛力。

哈佛大學(xué)Wyss研究所開發(fā)的“器官芯片”系統(tǒng)，通過組合不同的器官模塊（如腸、肝、腎模塊），成功模擬了人體內(nèi)藥物代謝的完整過程。于2010年在《科學(xué)》（

Science

通過這個芯片，可實時模擬人類肺部的結(jié)構(gòu)以及工作機(jī)制：吸氣肺部舒張，血液從吸入的空氣中提取身體所需的氧氣；呼氣肺部擠壓，排出二氧化碳。這整個過程都可以在一塊小小芯片中完整還原。

器官微流控芯片

唐納德·英格伯（Donald E. Ingber）在華展示“器官芯片”

藥物篩選與合成領(lǐng)域同樣也受益匪淺。

諾華制藥公司與麻省理工學(xué)院合作開發(fā)的模塊化微流控平臺，允許研究人員通過組合不同的反應(yīng)器模塊和混合器模塊，快速構(gòu)建多達(dá)數(shù)百個并行反應(yīng)的微反應(yīng)系統(tǒng)。每個模塊包含獨立的微閥和傳感器，可實時監(jiān)測反應(yīng)條件，顯著提高了先導(dǎo)化合物優(yōu)化的效率。

然而現(xiàn)有的模塊化研究仍然面臨復(fù)雜如制備復(fù)雜、接口標(biāo)準(zhǔn)化以及液體輸送方向性等工程挑戰(zhàn)。

為了解決這些問題，西南科技大學(xué)團(tuán)隊結(jié)合自然界所獲取的楔形接口靈感，結(jié)合飛秒激光的高精度、廣材料加工特性，開創(chuàng)性的研發(fā)了一種靈活可編程的微流控器件（MFUs），技術(shù)核心是利用楔形接口的不對稱拉普拉斯力使液體實現(xiàn)了單向流動效果，同時多種規(guī)范化的單元使得液體路徑靈活多樣，即插即用。

所開發(fā)的器件具備到單通道100 mm/s、組裝路徑30 mm/sd的液體傳輸速度，在傳輸過程中的損失率低于5%，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)微流控芯片的10%～15%，尤其適合珍貴樣品（如生物試劑、微量污染物樣本）的操控；

寬溫域：從室溫到60℃的環(huán)境下均能穩(wěn)定工作，覆蓋了多數(shù)化學(xué)、生物實驗的溫度需求；

高容錯：剛性的單元在組裝后展現(xiàn)出了±5°的可變形性——即使路徑輕微偏移，液橋仍能穩(wěn)定形成，避免了傳統(tǒng)剛性通道“一歪就漏”的問題。

這項技術(shù)的潛在應(yīng)用場景正逐步清晰。在西南科技大學(xué)的實驗室里，科研團(tuán)隊已演示了多項功能：

分步液體輸送：組裝成多邊形路徑的MFUs，能從3個不同入口依次向中心收集單元輸送液體，精準(zhǔn)控制加樣順序，可用于酶聯(lián)免疫檢測中的分步試劑添加；

可切換分流器：通過更換單元，160微升的液體可被均勻分成3-8等份，無需稱重設(shè)備，適用于環(huán)境監(jiān)測中的多平行樣制備；

微型反應(yīng)平臺：在組裝的MFUs陣列上，成功完成了鹽酸電解制氯、亞硝酸鈉與對氨基苯磺酸的顯色反應(yīng)，以及鹽酸普魯卡因的電位滴定——整個過程無需大型儀器，像“芯片上的微型實驗室”，未來可集成到便攜式檢測設(shè)備中，用于野外醫(yī)療或食品安全快速檢測。

“相比傳統(tǒng)技術(shù)，MFUs無需外部動力、可靈活重構(gòu)，還能實現(xiàn)液體的自發(fā)單向傳輸，這為‘綠色化學(xué)’和‘精準(zhǔn)檢測’提供了新工具”。團(tuán)隊研究成果已發(fā)表在國際期刊《先進(jìn)材料》（

Advanced Materials

MFUs實現(xiàn)順序液體流動路徑

MFUs可編程性液體流動路徑

結(jié) 語

展望未來，模塊化微流控的發(fā)展將圍繞以下幾個關(guān)鍵方向：

首先是接口的標(biāo)準(zhǔn)化，制定全球統(tǒng)一的微流體接口標(biāo)準(zhǔn)是推動技術(shù)普及和生態(tài)發(fā)展的基石；

其次是更高層次的集成化，將驅(qū)動、控制、傳感等功能更深度地集成到模塊或底板中，提升系統(tǒng)性能和便攜性；

再者是與先進(jìn)制造技術(shù)（高精度3D打印、激光加工等）的結(jié)合，這將助力制造出更具復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多功能集成的三維模塊；

最后是與人工智能的結(jié)合，通過AI輔助的系統(tǒng)設(shè)計和智能控制，實現(xiàn)模塊化微流控系統(tǒng)的自我優(yōu)化和自動化操作。

盡管面臨接口密封性、死體積控制等工程挑戰(zhàn)，模塊化微流控所賦予的無限靈活性、可重構(gòu)性以及降低的技術(shù)門檻，正在使其成為生命科學(xué)、臨床診斷、合成化學(xué)等領(lǐng)域不可或缺的創(chuàng)新工具，未來有望在個性化醫(yī)療、太空生物實驗、可穿戴設(shè)備等前沿領(lǐng)域開辟全新的應(yīng)用范式。

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