一）微流控芯片簡(jiǎn)介：

1.1 微型化、集成化和智能化，是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。伴隨著微機(jī)電加工系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)已由當(dāng)年的“龐然大物”演變成由一個(gè)個(gè)微小的電路集成芯片組成的便攜系統(tǒng)，甚至是一部微型的智能手機(jī)。

與之發(fā)展類似，今天我們介紹的微流控芯片，又稱芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-Chip），是一種以在微納米尺度空間中對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室的基本功能諸如樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測(cè)等縮微到一個(gè)幾平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大優(yōu)勢(shì)是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺(tái)上靈活組合、規(guī)模集成。

1.2 各種材質(zhì)和功能的微流控芯片及實(shí)驗(yàn)室相關(guān)配套儀器

微流控芯片早期也是從MEMS技術(shù)發(fā)展而來(lái)，通過微加工工藝在硅、金屬、高分子聚合物、玻璃、石英等材質(zhì)的基片上，加工出微米至亞毫米級(jí)的流體通道、反應(yīng)或檢測(cè)腔室、過濾器或傳感器等各種微結(jié)構(gòu)單元，而后在微米尺度空間對(duì)流體進(jìn)行操控，配合流體控制或分析儀器自動(dòng)完成生物實(shí)驗(yàn)室中的提取、擴(kuò)增、萃取、標(biāo)記、分離、分析，或者細(xì)胞的培養(yǎng)、處理、分選、裂解、分離分析等過程。

1.3 微流控芯片的發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域：

上世紀(jì)90年代初，A.Manz等人采用芯片實(shí)現(xiàn)了此前一直在毛細(xì)管內(nèi)完成的電泳分離，顯示了它作為一種分析化學(xué)工具的潛力；90年代中期，美國(guó)國(guó)防部提出對(duì)士兵個(gè)體生化自檢裝備的手提化需求催生了世界范圍內(nèi)微流控芯片的研究；在整個(gè)90年代，微流控芯片更多的被認(rèn)為是一種分析化學(xué)平臺(tái)，因此往往和“微全分析系統(tǒng)”（Micro Total Analysis System, u-TAS）概念混用。因此，原則上，微流控芯片作為一種“微全分析”技術(shù)平臺(tái)可以應(yīng)用于各個(gè)分析領(lǐng)域，如生化醫(yī)療診斷、食品和商品檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、刑事科學(xué)、軍事科學(xué)和航天科學(xué)等重要應(yīng)用領(lǐng)域，其中生物醫(yī)學(xué)分析是熱點(diǎn)。

2000年G. Whitesides等關(guān)于PDMS軟刻蝕的方法在Electrophoresis上發(fā)表，2002年S. Quake等以微閥微泵控制為主要特征的“微流控芯片大規(guī)模集成”文章在Science上發(fā)表，這些里程碑式的工作使學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界看到了微流控芯片超越“微全分析系統(tǒng)”的概念而發(fā)展成為一種重大的科學(xué)技術(shù)的潛在能力。例如，利用微流控芯片作為一種微反應(yīng)器，通過在微流控芯片上開展組合化學(xué)反應(yīng)或結(jié)合液滴技術(shù)，有望用于藥物合成與篩選，或納米粒子、微球、晶體等的高通量、大規(guī)模制備，甚至形成一種“芯片上的化工廠或制藥廠”。

二）微流控芯片的戰(zhàn)略意義：

自微流控芯片誕生以來(lái)，一直受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。2001年，“Lab on a Chip”雜志創(chuàng)刊，它很快成為本領(lǐng)域的一種主流刊物，引領(lǐng)世界范圍微流控芯片研究的深入開展。2004年美國(guó)Business 2.0雜志在一篇封面文章把芯片實(shí)驗(yàn)室列為“改變未來(lái)的七種技術(shù)之一”。2006年7月Nature雜志發(fā)表了一期題為“芯片實(shí)驗(yàn)室”專輯，從不同角度闡述了芯片實(shí)驗(yàn)室的研究歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用前景，并在編輯部的社評(píng)中指出：芯片實(shí)驗(yàn)室可能成為“這一世紀(jì)的技術(shù)”。至此，芯片實(shí)驗(yàn)室所顯示的戰(zhàn)略性意義，已在更高層面和更大范圍內(nèi)被學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界所認(rèn)同。

2.1 作為一種戰(zhàn)略性的科學(xué)技術(shù)，微流控芯片的發(fā)展有它的內(nèi)在必然性。

首先，微型化是人類社會(huì)發(fā)展的一種趨勢(shì)，面對(duì)我們所生存的已經(jīng)消耗過度的地球，微型化反映了人類對(duì)資源枯竭的憂慮和對(duì)資源利用的優(yōu)化。其次，世界上有太多的技術(shù)和流體操控有關(guān)，而當(dāng)被操控的流體在一個(gè)微米尺度的空間里流動(dòng)的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)很多新的現(xiàn)象，其中的一部分至今還沒有被我們所充分認(rèn)識(shí)。第三則是基于對(duì)系統(tǒng)研究的需求。系統(tǒng)學(xué)研究整體，更研究構(gòu)成整體的各個(gè)局部之間的相互聯(lián)系，自古以來(lái)，人類一直缺少微小但又能操控全局的工具，微流控芯片能承載多種單元技術(shù)并使之靈活組合和規(guī)模集成的特征使其可能成為系統(tǒng)研究的重要平臺(tái)。

2.2 微流控芯片的戰(zhàn)略意義還根植于它和信息科學(xué)、信息技術(shù)的特殊關(guān)系。

一般認(rèn)為，在二十世紀(jì)，人們借助于電子在半導(dǎo)體或金屬中流動(dòng)得到的“信息”，成就了具有戰(zhàn)略意義的信息科學(xué)和信息技術(shù)；而在二十一世紀(jì)，通過帶有可溶性生物分子或懸浮細(xì)胞的水溶液在微流控芯片通道或平面上流動(dòng)以研究生命，理解生命，以至部分地改造生命，將有可能同樣成就一種新的具有戰(zhàn)略意義的科學(xué)技術(shù)：微流控學(xué)。因?yàn)�，“生命”和“信息”�?gòu)成了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的核心。

2.3 微流控芯片——當(dāng)今國(guó)家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的一種先導(dǎo)型科學(xué)技術(shù)

微流控芯片是注定要被深度產(chǎn)業(yè)化的科學(xué)技術(shù)。這種判斷首先當(dāng)然是源于全球性產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型需求的不可逆轉(zhuǎn)，需求加劇，進(jìn)程加快；另一方面，或許更為重要的，則是基于對(duì)這一科學(xué)技術(shù)在一些重大領(lǐng)域不可替代性的認(rèn)識(shí)，而這種認(rèn)識(shí)只是在最近的若干年內(nèi)才被人們所逐步接受。它很可能發(fā)展成為當(dāng)今產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的一種模式，對(duì)以生物經(jīng)濟(jì)為代表的新型經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重要影響。例如未來(lái)幾年內(nèi)，如果將微流控芯片與“生物手機(jī)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”進(jìn)一步結(jié)合，這樣一個(gè)由一種新興技術(shù)引發(fā)的可能具有全局性影響的趨勢(shì)，是否能夠因此誕生一批“風(fēng)口”行業(yè)值得大家期待。

三）基于微流控芯片的代表性關(guān)鍵技術(shù)

3.1 新一代床邊診斷（point of care test，POCT）技術(shù)——Microfluidics-based POCT

POCT可直接在被檢者身邊提供快捷有效的生化指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)用藥，使檢測(cè)、診斷、治療成為一個(gè)連續(xù)過程，對(duì)于疾病的早期發(fā)現(xiàn)和治療具有突破性的意義。

POCT儀器發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)是小型化、“傻瓜”式，操作簡(jiǎn)單，無(wú)需專業(yè)人員，直接輸入體液樣本，即可迅速得到診斷結(jié)果，并將信息上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，由醫(yī)生指導(dǎo)保健。目前，市場(chǎng)上有多種即時(shí)診斷方法，簡(jiǎn)單的流動(dòng)測(cè)試工作沒有流體管理技術(shù)，而當(dāng)測(cè)試復(fù)雜性增加時(shí)，微流控技術(shù)是必要的。微流控芯片所具有的多種單元技術(shù)在微小可控平臺(tái)上靈活組合和規(guī)模集成的特點(diǎn)已使其成為現(xiàn)代POCT技術(shù)的首選，經(jīng)過近年的發(fā)展，已涌現(xiàn)了一批微流控芯片POCT分子診斷和免疫診斷的成功案例。

3.2 超高通量篩選的主流平臺(tái)——微流控液滴芯片

在微流控芯片通道上加入兩種互不相溶的液體，將其中的分散相以微小體積單元（10-15 L-10-9 L）的形式和極快的速度（100-10000個(gè)/秒）分散于連續(xù)相中,即可形成用作微反應(yīng)器或微量生化樣品載體的液滴。微流控芯片液滴已被認(rèn)為是迄今為止最重要的微反應(yīng)器，能提供一種在單分子和單細(xì)胞層面快速開展超大規(guī)模,超低含量反應(yīng)的平臺(tái)。液滴操控靈活，形狀可變，大小均一，又有優(yōu)良的傳熱傳質(zhì)性能，產(chǎn)生頻率已達(dá)數(shù)十到數(shù)百KHz，在高通量藥物篩選和材料篩選領(lǐng)域顯示了巨大的潛力。

3.3 哺乳動(dòng)物細(xì)胞及其微環(huán)境操控平臺(tái)——微流控芯片仿生實(shí)驗(yàn)室

由于微流控芯片的構(gòu)件尺寸和細(xì)胞吻合，并可同時(shí)測(cè)定物理量、化學(xué)量和生物量，它已成為對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞及其微環(huán)境進(jìn)行操控的最具潛力的平臺(tái)。目前已可以構(gòu)建微米量級(jí)且相對(duì)封閉的三維細(xì)胞培養(yǎng)、分選、裂解等操作單元，并把這些單元成功延伸到組織和器官。器官芯片是一種更接近仿生體系的模式，可在一塊幾平方厘米的芯片中培養(yǎng)各種活體細(xì)胞，形成組織器官，乃至由不同器官芯片進(jìn)一步組成活體芯片，從而模擬一個(gè)活體的行為并研究活體中整體和局部的種種關(guān)系。在藥學(xué)領(lǐng)域，器官芯片將被部分替代小白鼠等模型動(dòng)物，用于驗(yàn)證候選藥物，開展毒理和藥理作用研究。

四）微流控芯片的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)：

4.1 微流控芯片的市場(chǎng)前景：

2016-2020微流控市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè) Yole

微流控芯片作為一種革命性的技術(shù)平臺(tái)，其市場(chǎng)前景顯然是極其巨大的。最近幾年微流控芯片取得了突破性進(jìn)展，引起產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注。這些突破性進(jìn)展主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是已涌現(xiàn)出一批關(guān)健性技術(shù)，它們?cè)诤艽蟪潭壬暇哂胁豢商娲�性，并因此形成以醫(yī)學(xué)和藥學(xué)為代表，覆蓋面很寬的應(yīng)用領(lǐng)域，例如最近發(fā)展起來(lái)的器官芯片、液滴微流控芯片。其中，器官芯片或人體芯片，有望部分代替藥物研發(fā)過程中的臨床前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，最大限度地節(jié)約研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期，并且解決動(dòng)物權(quán)等倫理問題，具有極其巨大的潛在市場(chǎng)價(jià)值。

二是其中的一些應(yīng)用已經(jīng)或正在形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)，例如基于微流控技術(shù)的新一代床邊診斷（Microflluidics-based POCT)系統(tǒng)，被產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為目前最有可能成為“Killer Appliction”（殺手級(jí)應(yīng)用）的微流控芯片產(chǎn)品，其市場(chǎng)預(yù)計(jì)從2013年的16億美元增長(zhǎng)到2019年的56億美元。

4.3微流控芯片產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵問題（個(gè)人觀點(diǎn)，供探討）：

（1）技術(shù)：需要解決微流控芯片批量生產(chǎn)工藝（微加工、鍵合、表面修飾）；

重點(diǎn)是要解決芯片質(zhì)控問題。

（2）人才：急需多學(xué)科交叉人才、企業(yè)研發(fā)人員、專業(yè)化市場(chǎng)人員進(jìn)行微流控芯片產(chǎn)品的開發(fā)及推廣；國(guó)內(nèi)芯片人才特別是在企業(yè)從事產(chǎn)品開發(fā)的芯片技術(shù)人員較為缺乏，專業(yè)的人做專業(yè)的事！這個(gè)很重要。

（3）產(chǎn)品：急需具有“Killer Application”特征的微流控產(chǎn)品引領(lǐng)行業(yè)市場(chǎng)（產(chǎn)業(yè)界一致看好microfluidics-based POCT 系統(tǒng)）；普遍認(rèn)為poct最大市場(chǎng)是應(yīng)用于醫(yī)療診斷行業(yè)，這個(gè)行業(yè)市場(chǎng)最為巨大毫無(wú)爭(zhēng)議；或許在中國(guó)，食品安全、環(huán)境檢測(cè)是否能夠首先成為“中國(guó)特色”的killer application的一個(gè)案例，值得探討？

（4）資本：需要有長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)的資本或金融機(jī)構(gòu)的積極介入與扶持；個(gè)人認(rèn)為，微流控芯片實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)到了產(chǎn)業(yè)化的前夕，希望有遠(yuǎn)見的企業(yè)家盡快介入到這一技術(shù)的發(fā)展過程中來(lái)，大家同舟共濟(jì)，一起滾打幾年，一起來(lái)改進(jìn)技術(shù)，培育市場(chǎng)，共同發(fā)展。某種意義上說，這也是一種機(jī)會(huì)，等市場(chǎng)完全成熟了再介入進(jìn)來(lái)可能就太晚了一些。

（5）政策支持、強(qiáng)強(qiáng)合作：具有強(qiáng)大研發(fā)實(shí)力的企事業(yè)單位和豐富技術(shù)積累的科研院所鼎力合作）。

5.3 未來(lái)展望：

未來(lái)十年、二十年內(nèi)，微流控芯片注定成為一種被深度產(chǎn)業(yè)化的科學(xué)技術(shù)，世界范圍內(nèi)的微流控芯片的科學(xué)研究及產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也將日趨激烈。中國(guó)被認(rèn)為是在微流控芯片領(lǐng)域研究水平較高的國(guó)家之一,但國(guó)內(nèi)的微流控芯片產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，僅有為數(shù)不多的微流控產(chǎn)品面世，遠(yuǎn)落后于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。盡管如此，我們欣喜地發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)中國(guó)開始有越來(lái)越多的微流控技術(shù)專家、市場(chǎng)化專業(yè)人士，以及科研院校、企事業(yè)單位、投資機(jī)構(gòu)，關(guān)注并投身于微流控芯片產(chǎn)業(yè)化。我們有理由相信，微流控芯片在中國(guó)的成功產(chǎn)業(yè)化值得期待。