微流體是控制極小體積流體的科學和工程，通常在微升到皮升的范圍內。流體通常保存在尺寸從1到500μm的通道網絡中，包含在所謂的微流體裝置中。微流體組件或儀器，例如泵，通過入口和出口將流體輸送到設備中。

在如此小的尺寸體表現(xiàn)出與我們熟悉的行為完全不同的行為，毛細管作用可以主導它們的運動。允許流體通過微通道網絡，該網絡通常包括通道、腔室、儲液罐和其他功能，例如測量、傳感和驅動組件。微通道的大小和幾何形狀因所需的功能和應用而異，其中可能包括混合、分離、過濾、檢測、加熱和液滴產生。

微流體是一個廣泛的領域，在以下領域有許多不同的應用：

分子和細胞生物學研究

遺傳學

流體力學

微混合或分離

診斷

組織工程

藥

生育力測試和協(xié)助

環(huán)境分析

合成化學品或蛋白質

其中許多應用需要特定的制造技術和材料特性。在大多數(shù)情況下，微流體裝置還需要進行制造后修改，例如在表面進行處理或涂層。這可以增加它們對水的排斥或吸引力（稱為疏水性或親水性）。這些修改還可以包括在設備中集成試劑或特定分子或細胞，以及包含電極，磁鐵或光學組件。微流體裝置通常需要在制造后組裝到主要由塑料制成的支架或墨盒中。

生物技術中的微流體

微流體是一個多學科領域，需要化學家，物理學家，生物技術專家，醫(yī)生和不同工程學科之間的合作。這可以包括從概念化和想法開發(fā)到微流體裝置的設計、制造和測試的所有內容。

生物技術是商業(yè)上利用最多微流體裝置的部門。在這一領域，生命科學和生物技術公司需要在其產品的開發(fā)、生產和商業(yè)化過程中與半導體材料供應商和微細加工代工廠合作。

微流體裝置越來越多地用于生物應用，因為精確和受控的實驗可以以更低的成本和更快的速度進行，直接在使用點進行，并且比傳統(tǒng)實驗室技術具有更高的通量。此外，在微流體中，我們可以更好地模擬生物體中發(fā)生的事情，并比傳統(tǒng)的分析方法更精確地控制流體流動、混合、壓力和環(huán)境。

微流體裝置具有多種優(yōu)點。它們體積小，可以降低設備中使用的生產和材料成本。此外，用于獲得相同結果的試劑數(shù)量少大大降低了運營成本，而相同數(shù)量的細胞和樣品可實現(xiàn)更多的測試重復，從而實現(xiàn)更精確的診斷。運行分析程序所需的功耗也降低了。此外，微流體裝置更適用于偏遠地區(qū)，如發(fā)展中國家，那里的傳染病傳播是一個問題，而且獲得臨床實驗室或檢測設備的機會有限。

總之，使用微流控裝置的一些優(yōu)點是：

減少樣品、試劑和廢物的體積

降低測試和程序成本

更快的結果

提高自動化和便攜性

更精確的定量結果和實時監(jiān)控

材料

在微觀尺度上，總表面積與體積比大大增加，因此構建這些器件的材料的性能遠比宏觀尺度重要。因此，必須更加關注所選材料及其表面特性。

最常用于構建微流體器件的材料是玻璃、硅和聚合物，每種材料都有其特定的優(yōu)點和缺點。材料的選擇應主要基于其特性、與血液或治療的相容性以及預期應用的要求。隨后，需要根據(jù)制造選項及其各自的成本對材料進行評估。

應針對每個單獨的產品開發(fā)階段評估材料的選擇，知道在原型制作期間選擇的選項可能無法擴展到以后的大批量生產，因此，隨后可能需要不同的制造選項。例如，在開發(fā)和原型制作階段，設備的性能可能會因易于制造而受到影響，而在生產階段，性能可靠性和成本是最重要的因素。

硅是微流體應用中最常用的材料，因為它具有眾所周知的特性和制造技術。硅對微流體器件具有吸引力的一些特性，包括對有機溶劑的出色耐受性、高導熱性和熱穩(wěn)定性、剛性和易于金屬沉積。硅非常容易理解，因為它的生產和操作過程是從MEMS（微機電系統(tǒng)）和半導體行業(yè)改編的。

然而，使用硅是昂貴的，并且需要具有專業(yè)設備和訓練有素的人員的潔凈室設施。此外，硅是不透明的，這限制了其在需要透明設備進行成像或熒光檢測的應用中的使用。當閥門和泵等有源組件需要集成到設備中時，它的剛性也可能是一個缺點。

玻璃具有許多與硅相同的優(yōu)點，同時還具有透明性，生物相容性，并且具有較低的分子非特異性表面吸收。與硅一樣，除了潔凈室環(huán)境和高制造成本的要求外，集成其他組件的困難限制了玻璃在某些微流體應用中的實用性（Fiorini和Chiu，2005）。

玻璃和硅器件易于金屬化，其表面可以改性以防止分子的非特異性吸收并增加潤濕性。它們是毛細管電泳 （CE）、有機合成、液滴形成、DNA 測序和 PCR 微流體應用等的理想選擇。

在過去的幾十年中，聚合物在微流體裝置中的使用已經發(fā)展，與硅和玻璃相比，聚合物已成為更具成本效益的材料。聚合物具有透明性、材料成本低以及閥門或泵等活性組件集成更簡單等優(yōu)點。

有許多聚合物，每種都有不同的性質。它們可分為三大類：彈性體、熱塑性塑料和熱固性塑料。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）等彈性體因其易于制造、易于多層和活性組分的集成以及令人滿意的光學透明度而被廣泛用于研究和快速原型制作。此外，PDMS因其透氣性而非常適合長期細胞培養(yǎng)應用。然而，PDMS與有機溶劑不相容，并允許吸收通道壁中的小疏水分子和生物分子。此外，PDMS的低彈性模量有助于組件的集成，也使其容易變形和通道和特征斷裂。

在制造方面，可以使用MEMS技術制造的單個硅或玻璃模具鑄造多個PDMS器件。與硅和玻璃一樣，可以進行表面修飾以獲得特定的表面特性，例如分子的不吸收和潤濕性，盡管這些修飾在PDMS中并不持久（Nge等人，2013）。

聚苯乙烯 （PS）、聚碳酸酯 （PC） 和聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA） 等熱塑性聚合物是加熱到玻璃化轉變溫度 （Tg）可以通過冷卻形成特定的形狀;如果需要，它們可以重新加熱和重新成型。

不同的熱塑性聚合物具有不同的性能，但總的來說，它們都是透明的，便宜的（因此大多用作一次性設備），耐小分子滲透，并且比彈性體更堅硬。

熱塑性芯片的一些制造技術包括微注射成型、熱壓花、壓印光刻、溶劑壓印，有時還有微加工等。除機械加工外，這些制造技術需要制造非常昂貴的模具，因此這些工藝更適合大批量生產而不是原型制作。

當設備和應用中需要高溫、有機溶劑或高縱橫比時，熱塑性塑料不適用。熱塑性聚合物的粘合很麻煩，因為熔融-熱粘合是在玻璃化轉變溫度（Tg），不如用于硅，玻璃和PDMS器件的其他鍵合技術強，并且還可以改變微通道的特征。

熱固性塑料也是透明的，但形狀不可逆。一些例子包括熱固性聚酯（TPE）和SU-8光刻膠和聚酰亞胺，它們通常用作負光刻膠。與熱塑性塑料相比，熱固性塑料在經受有機溶劑和較高溫度時具有更好的穩(wěn)定性，但由于成本較高，它們并未廣泛用于微流體應用。

表1總結了這些材料用于制造微流體裝置的最重要特性。為了最大限度地提高性能和潛在應用，可以通過組合各種材料來設計混合微流體裝置。當然，這應該以第二種材料不會損害第一種材料提供的優(yōu)勢的方式進行。

表 1.用于微流體器件制造的材料性能摘要

如前所述，應根據(jù)每種應用所需的表面和材料特性選擇材料，然后根據(jù)成本和制造選項來選擇材料。例如，盡管聚合物微流控器件在生產規(guī)模上具有較低的制造成本，但與硅或玻璃相比，并非所有應用都可以由聚合物器件支持。在需要高溫和有機溶劑的應用中，需要選擇硅或玻璃。此外，并非所有的結構要求 - 例如高縱橫比特征，金屬圖案，高質量和良好的尺寸控制 - 都適合聚合物設備。

總之，決定使用哪種材料不僅取決于成本，還主要取決于每種應用所需的特定性能。然而，在評估材料時，還應考慮預期的生產量和生產規(guī)模的制造選項，因為它們會影響設計、成本和質量。