技術領先、成本優勢、產品先發成就龍頭企業：
√國內諸多新型微流控企業嶄露頭角，免疫診斷和分子診斷研發為主，市場潛力雖大，但不可盲目跟風；
√微流控技術高壁壘，低產業化，所以技術和資金是必不可少的兩個要素；
√差異化市場探索，可實現對現有技術的顛覆替代。
一、什么是微流控芯片？
1. 什么是微流控芯片？微型+集成+自動化。
√微流控芯片，又稱為芯片實驗室（Lab on a Chip），主要依托于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）加工工藝，將生物和化學領域所涉及的基本操作單位集成在一塊幾平方厘米的芯片上；
√該芯片由各種儲液池和相互連接的微通道網絡組成，很大程度縮短樣本處理時間，并通過精密控制液體流動，實現試劑耗材的最大利用效率；
√可以把整個化驗室的功能，包括采樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等集成在微芯片上，且可以多次使用。
微流控芯片示意圖
二、微流控平臺的特點
2. 微流控技術具有如下優點：
√ 集成小型化與自動化：通過(guo)流(liu)道(dao)的(de)(de)尺寸和曲(qu)度、微(wei)閥門、腔體設計(ji)的(de)(de)搭配組(zu)合實(shi)現檢測的(de)(de)集成小型(xing)化(hua)和自動(dong)化(hua)；
√ 高通量分析：芯(xin)片設計(ji)多(duo)流道、多(duo)個(ge)(ge)反(fan)應(ying)單(dan)元的相互(hu)隔離，使各個(ge)(ge)反(fan)應(ying)互(hu)不干(gan)擾；
√ 檢測試劑消耗少，樣本量需求少：微流控(kong)芯片反應單(dan)元腔體特別(bie)小，試劑及樣本的使用量遠遠低于(yu)常規操(cao)作；
√ 污染少：芯片(pian)集成(cheng)功(gong)能(neng)避免了人工操作(zuo)的污染。
微流控技術優勢
微流控技術的(de)出(chu)現為(wei)生命分(fen)析面臨(lin)的(de)三大特殊挑戰（要求(qiu)在特別小(xiao)的(de)空間，特定的(de)時間，特定的(de)外界(jie)條件進行物質定性、定量、結構分(fen)析、形貌(mao)分(fen)析等工作(zuo)）提供了(le)有力的(de)操控工具。
但(dan)作為一種新(xin)興技術，它(ta)也面臨著諸多(duo)問題亟(ji)待解決：
√ 產品缺乏相應的標準化和規范化：目(mu)前(qian)還沒法實現組件(jian)（配套使用的(de)試劑(ji)，核心的(de)微流控芯片，芯片驅動平臺，光電檢測模塊，信(xin)號處理模塊以(yi)及(ji)人機交互的(de)軟件(jian)系統等）的(de)通用化(hua)；
√ 人才不足：微流(liu)控(kong)產品結合了微機電加(jia)工(gong)(gong)、生命(ming)科(ke)學(xue)、化學(xue)合成、光(guang)學(xue)工(gong)(gong)程及電子工(gong)(gong)程等許(xu)多領域，多學(xue)科(ke)交叉人(ren)才、企業(ye)研發人(ren)員、專(zhuan)業(ye)化市場人(ren)員嚴重(zhong)不足(zu)；
√ 生產成本高：對于微流(liu)控(kong)免疫分析(xi)(xi)芯(xin)(xin)片(pian)來說，其(qi)面(mian)臨(lin)的最大問題是(shi)分析(xi)(xi)芯(xin)(xin)片(pian)都(dou)是(shi)一次性使(shi)用，不能充分發揮微流(liu)控(kong)分析(xi)(xi)平臺可(ke)多次使(shi)用的優點，導致檢測成本升高(gao)，在(zai)目前加工(gong)條件(jian)下，一塊(kuai)供研究用的標準玻璃(li)芯(xin)(xin)片(pian)價值可(ke)能在(zai)幾十(shi)到上(shang)百美元之間；
√ 技術平臺的難題：1）非(fei)均相微(wei)(wei)流控免疫分析芯(xin)片中(zhong)如何(he)將(jiang)抗體固定在微(wei)(wei)通道(dao)的(de)表面但不引起(qi)(qi)抗體的(de)構相改變(bian)而導致活性降低2）如何(he)將(jiang)微(wei)(wei)通道(dao)表面進行封閉從(cong)而阻止限(xian)制蛋(dan)白(bai)和小分子物質的(de)非(fei)特異結(jie)合引起(qi)(qi)的(de)靈敏度下降3）如何(he)將(jiang)微(wei)(wei)流控芯(xin)片與外圍設(she)備如自(zi)動(dong)分析、顯示設(she)備等的(de)集成化。
三、微流控的應用場景
3. 微流控的應用場景：以生物醫學分析為熱點的全領域應用
微流控芯片作為一種“微全分析技術平臺”可以應用于各個分析領域，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。目前來看，體外診斷是微流控技術的最大的應用場景，而在體外診斷中，微流控技術應用的重點在于化學發光（免疫診斷）和分子診斷中。
微流控技術廣泛應用于各領域
3.1 微流控在IVD領域中的應用
IVD主流有三大類，生化分(fen)析，免疫診斷，分(fen)子診斷。
國(guo)外商(shang)業(ye)化(hua)(hua)微流(liu)控(kong)產品(pin)分布在傳染(ran)病、基(ji)(ji)因測(ce)序(xu)、蛋白、PCR 等(deng)領(ling)域(yu)，由(you)于(yu)微流(liu)控(kong)的(de)小(xiao)型集(ji)成(cheng)化(hua)(hua)的(de)優勢(shi)，基(ji)(ji)本(ben)應用于(yu) POCT 領(ling)域(yu)，其中雅培(pei)的(de)i-STAT 系列成(cheng)為 POCT 的(de)經典代表產品(pin)，Illumina 的(de)測(ce)序(xu)產品(pin)也(ye)占據了全(quan)球(qiu) 70%的(de)測(ce)序(xu)市(shi)場。
國外商業化微流控產品情況
國內微流控(kong)產(chan)品以微點生物(wu)的 POCT 產(chan)品 mlabs 上市最早(zao)（2013 年），此外，微點、理邦、中新科炬產(chan)品均為免疫分析，博奧(ao)和博暉(hui)則都是基于 PCR 技術。
國內IVD主要細分領域規模和增速
生(sheng)(sheng)化(hua)分析技(ji)術成熟(shu)，技(ji)術壁壘較低，微流控產品(pin)面臨傳統的生(sheng)(sheng)化(hua)分析儀(yi)的競爭壓(ya)力。但其(qi)易于操作且能(neng)快速出結果的優勢是基層醫院的不二選擇。目前(qian)，技(ji)術相對成熟(shu)的產品(pin)有天(tian)津(jin)的微納芯Pointcare M和美國愛貝斯(si)（Abaxis）Piccolo Xpress?即時生(sheng)(sheng)化(hua)檢測儀(yi)。
基于(yu)微(wei)流控(kong)平臺的(de)免疫分析方(fang)法，可(ke)以促進抗原抗體之(zhi)間(jian)的(de)吸附(fu)，減少反應時間(jian)，實(shi)現自(zi)動控(kong)制，整合(he)小(xiao)型光學探頭(tou)使設備小(xiao)型化(hua)，實(shi)現即(ji)時檢測的(de)目標。華邁(mai)興(xing)微(wei)的(de)基于(yu)微(wei)流控(kong)的(de)M2微(wei)型化(hua)學發(fa)光分析系(xi)統相比(bi)較于(yu)普遍的(de)幾十千克(ke)的(de)大型機械手臂式的(de)化(hua)學發(fa)光儀而(er)言，這(zhe)款產品(pin)只有5千克(ke)，而(er)且從加樣后到全自(zi)動的(de)打(da)印報告，只要(yao)15分鐘。
在分子(zi)診斷(duan)(duan)領(ling)域，微(wei)流(liu)(liu)控(kong)(kong)芯片(pian)(pian)樣品(pin)(pin)體積只需(xu)幾微(wei)升，加熱(re)器(qi)直接集(ji)成(cheng)在芯片(pian)(pian)上(shang)，與傳(chuan)統的(de)(de)(de)PCR 相比，在相同擴(kuo)增(zeng)效率下，芯片(pian)(pian)的(de)(de)(de)熱(re)循環效率快(kuai) 2-10 倍。同時連(lian)續流(liu)(liu)動(dong)式 PCR、熱(re)對流(liu)(liu)驅動(dong) PCR 等技(ji)術的(de)(de)(de)使(shi)用，使(shi)得擴(kuo)增(zeng)過程(cheng)加快(kuai)，現(xian)有的(de)(de)(de)微(wei)流(liu)(liu)控(kong)(kong)芯片(pian)(pian)能夠將診斷(duan)(duan)檢測(ce)(ce)過程(cheng)縮短至最低 10-15 分鐘。現(xian)在全自動(dong)的(de)(de)(de)分子(zi)診斷(duan)(duan)，做的(de)(de)(de)比較(jiao)好的(de)(de)(de)有賽沛（Cepheid）的(de)(de)(de)GeneXpert PCR 分析儀， BioFire 的(de)(de)(de) filmArray， IQuum 的(de)(de)(de) cobas Liat PCR System 以(yi)及(ji) Atlas Genetics 的(de)(de)(de) io。國內(nei)的(de)(de)(de)博暉創新，利(li)德曼等也都有自己(ji)的(de)(de)(de)基于微(wei)流(liu)(liu)控(kong)(kong)的(de)(de)(de)全集(ji)成(cheng)的(de)(de)(de)分子(zi)診斷(duan)(duan)的(de)(de)(de)產品(pin)(pin)。傳(chuan)統的(de)(de)(de) PCR 檢測(ce)(ce)對場地和(he)(he)人員(yuan)的(de)(de)(de)要求都十分苛刻，而(er)基于微(wei)流(liu)(liu)控(kong)(kong)技(ji)術的(de)(de)(de)分子(zi)診斷(duan)(duan)平臺，將對場地和(he)(he)人員(yuan)的(de)(de)(de)要求降到最低，突破了分子(zi)診斷(duan)(duan)的(de)(de)(de)限制和(he)(he)瓶(ping)頸(jing)。
應用于POCT的微流控技術發展路線圖
3.2 微流控在細胞分析與培養中的應用
開發(fa)能夠進行細胞(bao)(bao)培養、分選、分析的(de)微流(liu)控芯片也是微流(liu)控領域的(de)一大(da)研究熱(re)點。微流(liu)控技術小型(xing)化(hua)、高(gao)通(tong)量(liang)的(de)特點使得其具有(you)利用珍貴稀少的(de)組織細胞(bao)(bao)樣本(ben)進行高(gao)通(tong)量(liang)分析的(de)潛力(li)(li)，為(wei)精準醫療、個(ge)性(xing)化(hua)醫療提(ti)供支持(chi)。例如，微流(liu)控芯片對于(yu)CTC主要(yao)有(you)兩大(da)類分選方(fang)法(fa)：基于(yu)癌細胞(bao)(bao)與正常(chang)細胞(bao)(bao)或血(xue)細胞(bao)(bao)間生物學(xue)性(xing)質（包(bao)括細胞(bao)(bao)表面蛋白表達水(shui)平、細胞(bao)(bao)活性(xing)和(he)侵潤能力(li)(li)等(deng)）差異，以及基于(yu)它(ta)們之(zhi)間物理性(xing)質（包(bao)括尺寸、密度、細胞(bao)(bao)表面電荷量(liang)和(he)變形性(xing)等(deng)）差異。
Fluxion Biosciences的微流體平臺IsoFlux實現高效的CTCs細胞富集回收
基于(yu)微(wei)流(liu)控(kong)芯片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)3D細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)培(pei)(pei)養(yang)技術(shu)(shu)也是(shi)近年來微(wei)流(liu)控(kong)技術(shu)(shu)應用(yong)于(yu)生物醫學(xue)領域的(de)(de)(de)(de)一類(lei)發展方向。與傳統培(pei)(pei)養(yang)容器相(xiang)比(bi)，微(wei)流(liu)控(kong)芯片(pian)(pian)操(cao)作(zuo)所需的(de)(de)(de)(de)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)量(liang)很少(shao)，適合來源(yuan)稀缺但又(you)十分重要的(de)(de)(de)(de)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)研究。微(wei)流(liu)控(kong)芯片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)微(wei)米(mi)尺度(du)空間和(he)(he)典型(xing)哺乳類(lei)動(dong)物細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)(de)(de)(de)尺寸及體內微(wei)血管孔徑恰好(hao)相(xiang)配；芯片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)多維(wei)網絡結(jie)構形成相(xiang)對獨立、封(feng)閉(bi)的(de)(de)(de)(de)環(huan)境與體內環(huan)境類(lei)似(si)；且微(wei)通道中的(de)(de)(de)(de)高表(biao)面(mian)積(ji)體積(ji)比(bi)，使(shi)得更多的(de)(de)(de)(de)界面(mian)可以用(yong)來進行(xing)物質和(he)(he)能量(liang)交換(huan)，傳送(song)效率提高，細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)代謝(xie)加快；更可通過(guo)對流(liu)體的(de)(de)(de)(de)精確控(kong)制(zhi)實(shi)現營養(yang)物質的(de)(de)(de)(de)實(shi)時更新與代謝(xie)廢物的(de)(de)(de)(de)及時排出。此外(wai)，微(wei)流(liu)控(kong)芯片(pian)(pian)由于(yu)自身(shen)的(de)(de)(de)(de)一些特性和(he)(he)優勢，很容易實(shi)現二維(wei)或三(san)維(wei)的(de)(de)(de)(de)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)培(pei)(pei)養(yang)、全(quan)自動(dong)化培(pei)(pei)養(yang)和(he)(he)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)共培(pei)(pei)養(yang)模式，從而可以建立細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)與細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)、細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)與胞(bao)(bao)(bao)外(wai)基質間的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互作(zuo)用(yong)，使(shi)細(xi)(xi)(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)保持完整的(de)(de)(de)(de)生物學(xue)特性。
常規細胞培養和微流控芯片中細胞培養
A：細胞常規培養板和微流控芯片微通道的對比，芯片的高度為50 μm，會導致營養物質的快速消耗和分泌物的大量堆積，類似細胞在組織中的微環境；
B：懸浮細胞在微通道中培養，為使細胞貼壁需要經歷一段靜止期，然后再進行灌注培養。
3.3 微流控在藥物篩選的應用
微流控芯片(pian)(pian)可以(yi)集成(cheng)256個或者(zhe)細胞培(pei)養(yang)腔(qiang)微陣列(lie)，改變細胞常規培(pei)養(yang)方(fang)法，實(shi)現細胞藥(yao)(yao)(yao)(yao)物篩選的高通量化(hua)；芯片(pian)(pian)微納(na)升級體積大大減(jian)少了試劑消耗(hao)量，減(jian)低(di)藥(yao)(yao)(yao)(yao)物篩選成(cheng)本；微流控芯片(pian)(pian)設計的二維結(jie)構或者(zhe)三維微結(jie)構區域可產(chan)生低(di)剪(jian)切力，在腔(qiang)室內(nei)形成(cheng)濃度梯(ti)度，進而對藥(yao)(yao)(yao)(yao)物進行毒性分(fen)析；微流控芯片(pian)(pian)集成(cheng)化(hua)非常明(ming)顯(xian)，將藥(yao)(yao)(yao)(yao)物的合(he)成(cheng)分(fen)離富集、實(shi)驗細胞培(pei)養(yang)、藥(yao)(yao)(yao)(yao)物效果檢測等多個步(bu)驟集成(cheng)于一張芯片(pian)(pian)，實(shi)現了藥(yao)(yao)(yao)(yao)物篩選的自(zi)動化(hua)分(fen)析。
細胞水平藥物篩選研究的集成化微流控芯片系統示意圖
A：裝置包含了 8 個相同的結構單元，且 8 個單元共用處于芯片中央的一個儲液池；
B：單元結構的放大圖，包括上游的濃度梯度發生區(CGG)和下游平行的細胞培養腔。
四、微流控技術壁壘
4. 微(wei)流控技術(shu)壁壘：芯片(pian)的加工方式、鍵合(he)技(ji)術(shu)(shu)、流體控(kong)制、表(biao)面修飾等技(ji)術(shu)(shu)壁壘制約了其產業化。
微流控芯片常(chang)以(yi)具(ju)有良好的生化相容性、光學性能、可修飾性的單晶硅片、石英、玻璃(li)、有機(ji)聚(ju)合物，如(ru)聚(ju)甲(jia)基(ji)丙烯酸甲(jia)酯(zhi)(zhi)（PMMA）、聚(ju)二甲(jia)基(ji)硅氧烷（PDMS）、聚(ju)碳酸酯(zhi)(zhi)（PC）等作(zuo)為芯片材料。
①加工方式：玻璃、石英等芯片制作的主要(yao)步驟包括：涂膠、曝光、顯影、腐蝕、去(qu)膠、鍵合。
玻璃微流控芯片制作流程
高分子(zi)聚合物芯片的(de)制(zhi)作技(ji)術主要包括：熱壓法、模(mo)塑(su)法、注塑(su)法、激光燒蝕(shi)(shi)法、LIGA法和軟刻蝕(shi)(shi)法等。
②鍵合技術：微流控芯片鍵(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)方(fang)法主(zhu)要(yao)有(you)三(san)種：熱(re)鍵(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)、陽極鍵(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)、低(di)溫鍵(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)。刻(ke)蝕后(hou)玻璃基(ji)片表(biao)面(mian)(mian)會(hui)殘(can)留較(jiao)多的有(you)機(ji)物和無機(ji)顆(ke)粒(li)、塵埃等，直接造(zao)成(cheng)表(biao)面(mian)(mian)的平整出現不(bu)均勻，粗糙度不(bu)一致，在鍵(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)時(shi)導致結合(he)(he)(he)(he)界面(mian)(mian)產生衍射紋，不(bu)能緊(jin)密貼(tie)合(he)(he)(he)(he)而導致鍵(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)失敗(bai)。因此，無論采用何種鍵(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)方(fang)式，基(ji)片在鍵(jian)(jian)(jian)合(he)(he)(he)(he)前均需進(jin)行嚴格的清洗。
③流體控制：微流(liu)控(kong)技術最核心的(de)是流(liu)體(ti)(ti)控(kong)制(zhi)(zhi)。非機(ji)械力驅(qu)動，不借助(zhu)外(wai)力，嚴格(ge)意(yi)義(yi)上叫微流(liu)體(ti)(ti)并非微流(liu)控(kong)，并無液(ye)體(ti)(ti)流(liu)動的(de)控(kong)制(zhi)(zhi)。機(ji)械力驅(qu)動，則是通過儀(yi)器內(nei)部精密控(kong)制(zhi)(zhi)芯片(pian)內(nei)反應(ying)腔結合閥門裝置(zhi)，控(kong)制(zhi)(zhi)液(ye)體(ti)(ti)反應(ying)的(de)位(wei)置(zhi)，實時監測液(ye)體(ti)(ti)在芯片(pian)內(nei)流(liu)動狀況，定量控(kong)制(zhi)(zhi)反應(ying)樣本體(ti)(ti)積，使(shi)樣本定量參與(yu)免疫(yi)反應(ying)，真(zhen)正達到精確(que)控(kong)制(zhi)(zhi)。
微流控流體驅動技術
④表面修飾：微流(liu)控芯(xin)片中比表面(mian)積(ji)大，表面(mian)效(xiao)應顯著；且(qie)芯(xin)片分(fen)離、反應和細胞(bao)培養等單元(yuan)技術對(dui)表面(mian)性(xing)質的需(xu)求(qiu)不同。這(zhe)就要求(qiu)微流(liu)控芯(xin)片需(xu)要進行一定(ding)的表面(mian)修(xiu)飾(shi)以減小(xiao)表面(mian)非特(te)異性(xing)作用(yong)(yong)、增強(qiang)表面(mian)特(te)異性(xing)作用(yong)(yong)、提高表面(mian)穩(wen)定(ding)性(xing)。
表面改性方法
五、微流控技術的分類及應用案例
在產業(ye)化中，主(zhu)動式微(wei)(wei)流控一般(ban)分為以下(xia)幾(ji)大類型：壓力推動式微(wei)(wei)流控，離心力推動式微(wei)(wei)流控，液(ye)滴微(wei)(wei)流控，數字(zi)化微(wei)(wei)流控，紙質微(wei)(wei)流控等。
