Small微流控专刊——展望微流控的第四个“10年”

微流控概念源自于1990年相关学者提出的将实验室所有化学分析测试集成在微芯片上的想法。自2000年起,George Whitesides, Steven Quake等开拓者提出并发展了聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控装置、微阀门集成微流控、液滴微流控技术等,推动了微流控技术的蓬勃发展。研究人员在实验室内可方便地制造和组装这些微流控装置,利用高精度泵、高速成像系统来精准控制、分析微尺度流动。这样,微流控技术不仅用于微尺度流体力学、微生化反应等基础研究,而且还引起了农业、生物技术、传热工程、医学、纳米材料和环境工程等其他领域的研究兴趣。至此,微流控技术被广泛应用于需要流体操纵的所有领域,包括物理、化学、生物、机械工程、生物医学工程、化学工程、材料工程、生命科学以及转化医学等。

在过去十年中,微流控技术深化了其在生物化学和转化医学方面的应用,如微型化生化分析、高通量筛选、即时诊断和新颖生物材料制备等。微流控技术还开拓了在诸如器官芯片、组织工程、体外三维细胞共培养、三维生物打印和微液滴单细胞分析等新兴领域的应用。借助于微流控的独特优势,研究人员进行了筛选化合物、个性化药物联合、细胞和癌症生物学、体外组织构建和细胞团异质性等方面的探索。

在进入微流控技术发展的四十载之际,为了展示该领域的最新研究进展,Wiley出版社的Small杂志专门组织了“The Fourth Decade of Microfluidics”专刊(https://doi.org/10.1002/ smll202000070)。该专刊由哈佛大学David Weitz教授、香港大学Anderon Shum岑浩璋教授和深圳大学孔湉湉副教授担任客座编辑,共收录39篇文章,其中研究论文17篇、综述22篇,内容涵盖了微流控技术多个研究方向的重要研究进展,如单细胞分析、微液滴操纵、微尺度流体控制、新型生物材料制备、仿生材料、体外分析生物技术、肿瘤芯片、生物电子和再生组织工程等。该专刊的作者包括了来自国内的清华大学、北京大学、上海交通大学、南京大学、厦门大学、武汉大学、东南大学、北京航空航天大学、中科院理化所、中科院微生物研究所、南京工业大学、苏州大学、西南交通大学、中科院深圳先进院、广州第一人民医院、深圳大学等,以及哈佛大学、普林斯顿大学、剑桥大学、夕法尼亚大学、加州大学圣塔芭芭拉分校、佐治亚理工、纽约大学、欧洲分子生物学实验室(EMBL)、香港大学、香港中文大学、香港科技大学、香港城市大学、香港理工大学、日本冲绳科学技术大学(OIST)、韩国科学技术院(KAIST)、赫尔辛基大学、瑞尔森大学、皇家墨尔本理工大学(RMIT)、韩国汉阳大學等多家高校与科研院所。由于微流控领域的持续快速发展,本专刊不可能涵盖该领域的各个方面,尤其是没有参与专刊的最新成果。

这本专刊旨在于促进、吸引和联合更多新兴领域如医学人工智能、超材料、神经形态工程等的交叉研究,推进其融合创新。随着微流控技术的不断成熟,全球微流控产品市场规模高速发展,已经变革了细分市场,2019至2024年期间的复合年增长率预计高达11.7%。截至2019年,全球范围内开发基于微流控的产品及解决方案的公司已超过1000家,其中包括众多已具有辨识度的初创公司,以及几家决定进军微流控领域或加强其在该领域的地位的大公司(其它技术领域的领军者)。目前,微流控代表性的应用案例是即时诊断和生物技术研究,包括离心微流控即时诊断芯片、单细胞分析抗体筛选系统、数字微流控实时PCR系统、微液滴数字PCR系统等,其他微流控应用也在不断发展。毫无疑问,随着工业界积极探索细分市场、针对消费者需要需求,微流控的商业化潜力进一步被发掘。

专刊论文列表

Editorial

The Fourth Decade of Microfluidics

Reviews

  • Microfluidic Generation of Nanomaterials for Biomedical Applications
  • On-Chip Generation of Vortical Flows for Microfluidic Centrifugation
  • Biopolymer Microparticles Prepared by Microfluidics for Biomedical Applications
  • Microfluidic Platforms Towards Rational Material Fabrication for Biomedical Applications
  • Advanced Wearable Microfluidic Sensors for Healthcare Monitoring
  • Liquid metal-based soft microfluidics
  • Micro-/nanostructured interface for liquid manipulation and its applications
  • Microfluidic Single-cell Omics Analysis
  • Pore-Scale Flow Characterization of Polymer Solutions in Microfluidic Porous Media
  • Recent Progress of Microfluidic Devices for Hemodialysis
  • Microfluidics-implemented biochemical assays: from the perspective of readout
  • Colloidal Crystals from Microfluidics
  • Capillary-based microfluidics – Coflow, Flow‐Focusing, Electro‐Coflow, Drops, Jets, and Instabilities
  • Pulsatile Flow in Microfluidic Systems
  • Recent Advances of Microfluidic Platforms Applied in Cancer Metastasis: Circulating Tumor Cells (CTCs) Isolation and Tumor-On-A-Chip
  • Progress in Microfluidics-Based Exosome Separation and Detection Technologies for Diagnostic Applications
  • Recreating Physiological Environments In Vitro: Design Rules for Microfluidic-based Vascularized Tissues Constructs
  • Inner Surface Design of Functional Microchannels for Microscale Flow Control
  • Title Microfluidics for production of particles: mechanisms, methodologies and applications
  • Microfluidic Platforms Towards Rational Material Fabrication for Biomedical Applications
  • Microfluidics as an enabling technology for personalized cancer therapy
  • Microfluidics for Bio-Synthesizing: From Droplets and Vesicles to Artificial Cells
  • Droplet and Microchamber-based Digital Loop-Mediated Isothermal Amplification (dLAMP)

Full Papers

  • Screening Therapeutic Agents Specific to Breast Cancer Stem Cells Using a Microfluidic Single-Cell Clone Forming Inhibition Assay
  • Rectification of mobile Leidenfrost droplets by planar ratchets
  • A Time-Programmed Release of Dual Drugs from an Implantable Tri-layer Structured Fiber Device for Synergistic Treatment of Breast Cancer
  • Water Harvesting of Bioinspired Microfibers with Rough Spindle-knots from Microfluidics
  • On-demand droplet collection for capturing single cells
  • Integrating Flexible Electrochemical Sensor into Microfluidic Chip for Simulating and Monitoring Vascular Mechanotransduction
  • Interfacial Nanoinjection-Based Nanoliter Single-Cell Analysis
  • Creation of Non-Spherical Microparticles through Osmosis-Driven Arrested Coalescence of Microfluidic Emulsions
  • Composite Microgels created by Complexation between Polyvinyl Alcohol and Graphene Oxide in Compressed Double-Emulsion Drops
  • Microfluidics-Assisted Assembly of Injectable Photonic Hydrogels towards Reflective Cooling
  • Nanofluidic Behaviors of Water and Ions in Covalent Triazine Framework (CTF) Multilayers
  • Zwitterionic Nanohydrogels Decorated Microporous Membrane with Ultrasensitive Salt Responsiveness for Controlled Water Transport
  • Boston Ivy Disc-Inspired Pressure-Mediated Adhesive Film Patches
  • Purely elastic fluid-structure interactions in microfluidics: implications for mucociliary flows
  • Dancing with the cells: acoustic microflows generated by oscillating cells
  • Concentrating Single Cells in Picoliter Droplets for Phospholipid Profiling on a Microfluidic System
  • Modulating the Mechanical Performance of Macroscale Fibers through Shear-induced Alignment and Assembly of Protein Nanofibrils