來源：霆科生物、貝殼社
作者：葉嘉明
微流控晶片已經發展成為一門涉及材料、化學、物理、微機電、生物、醫學等領域的綜合性交叉學科，我從2003年研究生階段在導師田昭武院士的引領下有幸進入這個前沿領域，先後從事基礎研究、應用研究、產品開發工作，到今天開始走上創業的道路，也僅僅只能說區域性地領略到微流控晶片這個偉大“藝術平臺”的魅力。因此，今天在有限的時間裡，我主要結合個人體會談談微流控晶片技術的一些觀點，希望能夠起到“拋磚引玉”的作用。
另外，本人在博士後階段師從於微流控晶片領域著名專家——林炳承教授，此次分享的內容部分引用了中科院團隊近二十年來在微流控晶片領域豐碩的科研成果，以及導師林炳承教授的觀點。
今天我和大家分享的主題是“微流控晶片——註定要被深度產業化的科學技術”。
（一）微流控晶片簡介
1.1 微型化、整合化和智慧化，是現代科技發展的一個重要趨勢。伴隨著微機電加工系統（MEMS）技術的發展，電子計算機已由當年的“龐然大物”演變成由一個個微小的電路整合晶片組成的便攜系統，甚至是一部微型的智慧手機。
與之發展類似，今天我們介紹的微流控晶片，又稱晶片實驗室（Lab-on-a-Chip），是一種以在微奈米尺度空間中對流體進行操控為主要特徵的科學技術，具有將生物、化學等實驗室的基本功能諸如樣品製備、反應、分離和檢測等縮微到一個幾平方釐米晶片上的能力，其基本特徵和最大優勢是多種單元技術在整體可控的微小平臺上靈活組合、規模整合。
1.2 各種材質和功能的微流控晶片及實驗室相關配套儀器
微流控晶片早期也是從MEMS技術發展而來，透過微加工工藝在矽、金屬、高分子聚合物、玻璃、石英等材質的基片上，加工出微米至亞毫米級的流體通道、反應或檢測腔室、過濾器或感測器等各種微結構單元，而後在微米尺度空間對流體進行操控，配合流體控制或分析儀器自動完成生物實驗室中的提取、擴增、萃取、標記、分離、分析，或者細胞的培養、處理、分選、裂解、分離分析等過程。
1.3 微流控晶片的發展及應用領域
上世紀90年代初，A.Manz等人採用晶片實現了此前一直在毛細管內完成的電泳分離，顯示了它作為一種分析化學工具的潛力；90年代中期，美國國防部提出對士兵個體生化自檢裝備的手提化需求催生了世界範圍內微流控晶片的研究；在整個90年代，微流控晶片更多的被認為是一種分析化學平臺，因此往往和“微全分析系統”（Micro Total Analysis System, u-TAS）概念混用。因此，原則上，微流控晶片作為一種“微全分析”技術平臺可以應用於各個分析領域，如生化醫療診斷、食品和商品檢驗、環境監測、刑事科學、軍事科學和航天科學等重要應用領域，其中生物醫學分析是熱點。
2000年G. Whitesides等關於PDMS軟刻蝕的方法在Electrophoresis上發表，2002年S. Quake等以微閥微泵控制為主要特徵的“微流控晶片大規模整合”文章在Science上發表，這些里程碑式的工作使學術界和產業界看到了微流控晶片超越“微全分析系統”的概念而發展成為一種重大的科學技術的潛在能力。例如，利用微流控晶片作為一種微反應器，透過在微流控晶片上開展組合化學反應或結合液滴技術，有望用於藥物合成與篩選，或奈米粒子、微球、晶體等的高通量、大規模製備，甚至形成一種“晶片上的化工廠或製藥廠”。
（二）微流控晶片的戰略意義
自微流控晶片誕生以來，一直受到學術界和產業界的極大關注。2001年，“Lab on a Chip”雜誌創刊，它很快成為本領域的一種主流刊物，引領世界範圍微流控晶片研究的深入開展。2004年美國Business 2.0雜誌在一篇封面文章把晶片實驗室列為“改變未來的七種技術之一”。2006年7月Nature雜誌發表了一期題為“晶片實驗室”專輯，從不同角度闡述了晶片實驗室的研究歷史、現狀和應用前景，並在編輯部的社評中指出：晶片實驗室可能成為“這一世紀的技術”。至此，晶片實驗室所顯示的戰略性意義，已在更高層面和更大範圍內被學術界和產業界所認同。
2.1 作為一種戰略性的科學技術，微流控晶片的發展有它的內在必然性
首先，微型化是人類社會發展的一種趨勢，面對我們所生存的已經消耗過度的地球，微型化反映了人類對資源枯竭的憂慮和對資源利用的最佳化。其次，世界上有太多的技術和流體操控有關，而當被操控的流體在一個微米尺度的空間裡流動的時候，會出現很多新的現象，其中的一部分至今還沒有被我們所充分認識。第三則是基於對系統研究的需求。系統學研究整體，更研究構成整體的各個區域性之間的相互聯絡，自古以來，人類一直缺少微小但又能操控全域性的工具，微流控晶片能承載多種單元技術並使之靈活組合和規模整合的特徵使其可能成為系統研究的重要平臺。
2.2 微流控晶片的戰略意義還根植於它和資訊科學、資訊科技的特殊關係
一般認為，在二十世紀，人們藉助於電子在半導體或金屬中流動得到的“資訊”，成就了具有戰略意義的資訊科學和資訊科技；而在二十一世紀，透過帶有可溶性生物分子或懸浮細胞的水溶液在微流控晶片通道或平面上流動以研究生命，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略意義的科學技術：微流控學。因為，“生命”和“資訊”構成了現代科學技術的核心。
2.3 微流控晶片——當今國家產業轉型的一種先導型科學技術
微流控晶片是註定要被深度產業化的科學技術。這種判斷首先當然是源於全球性產業轉型需求的不可逆轉，需求加劇，程序加快；另一方面，或許更為重要的，則是基於對這一科學技術在一些重大領域不可替代性的認識，而這種認識只是在最近的若干年內才被人們所逐步接受。它很可能發展成為當今產業轉型的一種模式，對以生物經濟為代表的新型經濟產生重要影響。例如未來幾年內，如果將微流控晶片與“生物手機”、“網際網路+”進一步結合，這樣一個由一種新興技術引發的可能具有全域性性影響的趨勢，是否能夠因此誕生一批“風口”行業值得大家期待。
（三）基於微流控晶片的代表性關鍵技術
3.1 新一代床邊診斷（point of care test，POCT）技術——Microfluidics-based POCT
POCT可直接在被檢者身邊提供快捷有效的生化指標，現場指導用藥，使檢測、診斷、治療成為一個連續過程，對於疾病的早期發現和治療具有突破性的意義。
POCT儀器發展趨勢應是小型化、“傻瓜”式，操作簡單，無需專業人員，直接輸入體液樣本，即可迅速得到診斷結果，並將資訊上傳至遠端監控中心，由醫生指導保健。目前，市場上有多種即時診斷方法，簡單的流動測試工作沒有流體管理技術，而當測試複雜性增加時，微流控技術是必要的。微流控晶片所具有的多種單元技術在微小可控平臺上靈活組合和規模整合的特點已使其成為現代POCT技術的首選，經過近年的發展，已湧現了一批微流控晶片POCT分子診斷和免疫診斷的成功案例。
(Cited from: Commercialization of microfluidic point-of-care diagnostic devices, Lab Chip, 2012,12, 2118-2134)
3.2 超高通量篩選的主流平臺——微流控液滴晶片
在微流控晶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/秒）分散於連續相中,即可形成用作微反應器或微量生化樣品載體的液滴。微流控晶片液滴已被認為是迄今為止最重要的微反應器，能提供一種在單分子和單細胞層面快速開展超大規模,超低含量反應的平臺。液滴操控靈活，形狀可變，大小均一，又有優良的傳熱傳質效能，產生頻率已達數十到數百KHz，在高通量藥物篩選和材料篩選領域顯示了巨大的潛力。
(Cited from: Reactions in Droplets in Microfluidic Channels, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 7336-7356)
3.3 哺乳動物細胞及其微環境操控平臺——微流控晶片仿生實驗室
由於微流控晶片的構件尺寸和細胞吻合，並可同時測定物理量、化學量和生物量，它已成為對哺乳動物細胞及其微環境進行操控的最具潛力的平臺。目前已可以構建微米量級且相對封閉的三維細胞培養、分選、裂解等操作單元，並把這些單元成功延伸到組織和器官。器官晶片是一種更接近仿生體系的模式，可在一塊幾平方釐米的晶片中培養各種活體細胞，形成組織器官，乃至由不同器官晶片進一步組成活體晶片，從而模擬一個活體的行為並研究活體中整體和區域性的種種關係。在藥學領域，器官晶片將被部分替代小白鼠等模型動物，用於驗證候選藥物，開展毒理和藥理作用研究。
（四）微流控晶片的產業化現狀和發展趨勢
4.1 微流控晶片的市場前景
微流控晶片作為一種革命性的技術平臺，其市場前景顯然是極其巨大的。最近幾年微流控晶片取得了突破性進展，引起產業界的極大關注。這些突破性進展主要表現在兩個方面，一是已湧現出一批關健性技術，它們在很大程度上具有不可替代性，並因此形成以醫學和藥學為代表，覆蓋面很寬的應用領域，例如最近發展起來的器官晶片、液滴微流控晶片。其中，器官晶片或人體晶片，有望部分代替藥物研發過程中的臨床前動物實驗，最大限度地節約研發成本、縮短研發週期，並且解決動物權等倫理問題，具有極其巨大的潛在市場價值。
二是其中的一些應用已經或正在形成規模產業，例如基於微流控技術的新一代床邊診斷（Microflluidics-based POCT)系統，被產業界認為目前最有可能成為“Killer Appliction”（殺手級應用）的微流控晶片產品，其市場預計從2013年的16億美元增長到2019年的56億美元。
（微流控即時診斷市場預測，法國市場研究機構Yole Development提供的資料，轉載自網際網路）
4.2 目前市場上幾種代表性微流控晶片產品
4.3 微流控分析晶片產品現狀及發展趨勢
總體而言，當前的微流控晶片產品及發展趨勢總結如下（個人觀點，供探討）：
4.4 微流控晶片產業化關鍵問題（個人觀點，供探討）：
（1）技術：需要解決微流控晶片批次生產工藝（微加工、鍵合、表面修飾）；
重點是要解決晶片質控問題。
（2）人才：急需多學科交叉人才、企業研發人員、專業化市場人員進行微流控晶片產品的開發及推廣；國內晶片人才特別是在企業從事產品開發的晶片技術人員較為缺乏，專業的人做專業的事！這個很重要。
（3）產品：急需具有“Killer Application”特徵的微流控產品引領行業市場（產業界一致看好microfluidics-based POCT 系統）；普遍認為poct最大市場是應用於醫療診斷行業，這個行業市場最為巨大毫無爭議；或許在中國，食品安全、環境檢測是否能夠首先成為“中國特色”的killer application的一個案例，值得探討？
（4）資本：需要有長遠目標的資本或金融機構的積極介入與扶持；個人認為，微流控晶片實驗室已經到了產業化的前夕，希望有遠見的企業家儘快介入到這一技術的發展過程中來，大家同舟共濟，一起滾打幾年，一起來改進技術，培育市場，共同發展。某種意義上說，這也是一種機會，等市場完全成熟了再介入進來可能就太晚了一些。
（5）政策支援、強強合作：具有強大研發實力的企事業單位和豐富技術積累的科研院所鼎力合作）。
未來展望
未來十年、二十年內，微流控晶片註定成為一種被深度產業化的科學技術，世界範圍內的微流控晶片的科學研究及產業競爭也將日趨激烈。中國被認為是在微流控晶片領域研究水平較高的國家之一,但國內的微流控晶片產業仍處於起步階段，僅有為數不多的微流控產品面世，遠落後於歐美等發達國家。儘管如此，我們欣喜地發現，近年來中國開始有越來越多的微流控技術專家、市場化專業人士，以及科研院校、企事業單位、投資機構，關注並投身於微流控晶片產業化。我們有理由相信，微流控晶片在中國的成功產業化值得期待。
