微流控，是一种精准操控微尺度流体的技术，又称芯片实验室，旨在将实验室的基本操作单元封装在微米尺度的芯片上，用于医疗诊断、生物医药组织工程和环境采样多个领域。然而，这种系统通常需要笨重的辅助设备，比如流体泵和高压电源等，限制了微流控的广泛应用。
麦吉尔大学(McGill University)生物医学工程系David Juncker团队，设计了一种小型化微流控系统，可通过3D打印技术轻松构建芯片，无需借助额外设备，利用微流体的“链式反应”，采用类似多米诺骨牌的阀门，控制试剂的释放。结合该系统，可以用于测试冠状病毒SARS-CoV-2。相关研究成果以“Microfluidic chain reaction of structurally programmed capillary flow events”为题发表在Nature上，并刊登了题为“A lab-on-a-chip that takes the chip out of the lab”的报道。
毛细管多米诺阀
该研究中，小型化微流控设备包括微米级通道和储液器，利用“微流控链式反应（MCR）”，可用于操纵含有试剂的液体，从而控制芯片上的反应。其中MCR，是指使用类似多米诺骨牌的阀门来控制从一系列储液器中释放试剂，只有当链条中的前一个储水器已经排空时，才会打开下一个储液器。毛细管多米诺阀（CDV）编码了这一条件，并将其串联起来，也就是将链与储液器相连，从而控制链式反应的传递。
不同的毛细管微流体组件，可实现不同的功能，例如装载、保持、混合和排放试剂，以形成完全集成和可扩展的毛细管回路。这些组件组成的微流控链式反应器，可由普通3D光刻打印机制成，并进行亲水化，用普通盖密封并连接到滤纸或吸收垫，没有其他外部的连接部件。通过释放存储在纸张表面的自由能，从毛细管回路中抽取的水溶液自发润湿纸张，从而驱动链式反应。
图一、具有单片毛细管多米诺阀的微流控链式反应，用于在毛细管回路中连续输送试剂。
毛细管回路中连续输送试剂视频
大型微流控链式反应
该团队进一步研究了MCR系统中微流体的操纵。通常，排空复杂网络的微通道流体是比较困难的，常见方法是使用空气来置换流体，但这会导致形成难以清除的气泡和停滞区域。本研究不仅开发了可用于操纵流动、控制迁移速度以及停止和重新启动流动的配置；还设计了一个大规模芯片，由四个芯片连接而成，每个芯片有 75 个 微流控链式反应单元，每个接口都保证了液体（主通道）和空气（连接CDV）的无泄漏连接，在不引入气泡的情况下，将多流体聚集在一起。该结果说明了MCR和CDV的可靠性，并展示了基于毛细管微流体的集成和大规模流体操作。
图二、大型微流控链式反应
MCR用于冠状病毒
该团队将其设备用于检测冠状病毒 SARS-CoV-2 抗体的唾液测试。这里，将常见的实验室酶联免疫吸附试验(ELISA)八个步骤的序列自动化，引入了与 SARS-CoV-2 抗体结合的检测抗体，在酶促转化时，产生棕色、持久的沉淀物。既可以肉眼读出，作为即时读数，也可以使用智能手机，配上用于阻挡环境光的简单纸板，进行量化。
图三、微流控链式反应在用于检测人类唾液样本中的 SARS-CoV-2 抗体
小结：本研究中微流控系统实现了小型化，不需要额外的设备，离主流商业应用更进一步，其框架概念可广泛应用于医疗诊断。
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全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04683-4
https://www.nature.com/articles/d41586-022-01299-6
来源：高分子科学前沿
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