科创中国

行业领域

高新技术改造传统产业,先进制造技术

需求背景

微流控技术是指在微米或者纳米尺度上对流体进行操控的技术。对于微小尺度上的机械、电子、流体等进行深入探索的想法最早可以源自于美国物理学家理查德•费曼于1959年在美国物理学年会的演讲。微流控技术的雏形最早出现 20世纪 90年代，是作为微机电系统研究中（MEMS）对微量流体进行控制相关研究的子领域，如喷墨打印机喷头阵列方面的研究等。早期微机电系统领域对微量流体操控的研究多具有生物学背景，所以也被称为生物-微机电系统（Bio-MEMS）。90年代末期，微流控技术逐渐从微机电系统领域独立出来，近年来微流控领域的研究进展迅速，已经在生命科学、分析化学等科研领域得到了广泛的应用，近期还出现了一系列的微流控快速检测商业化产品。

微流控技术经过二十多年的发展已经在生命科学、医学检测、分析化学、环境科学、食品科学等研究领域得到了较为广泛的应用，并正在逐步实现规模化产业应用。微流控技术的发展过程中，从早期的基于硅片、玻璃的微流控芯片到目前广泛应用的基于聚合物甚至纸材料的微流控芯片及相应制备技术相继出现，正在逐步适应和满足生命科学、分析化学等科研领域的利用微量流体进行检测、合成等应用的需要。从长远发展角度看，微流控技术必将在医学检测、环境检测等领域实现产业化应用，这就对微流控芯片的材料与制备成本控制、制备工艺的简洁与可靠、芯片基材物理化学性质对于不同应用的适应性等方面提出了更高的要求。

需解决的主要技术难题

尽管基于微流控技术目前已经有了一些商业化产品，但是对于未 来微流控技术的进一步推广及产业化应用，还亟待解决以下的问题：1、由于防止交叉污染的原因，应用于上述仪器设备中的微流控芯片都是一次性使用的消耗性产品，因而降低芯片的材料和制备成本对于未来基于微流控技术的检测技术的广泛推广应用至关重要；

2、目前的检测方法中，基于玻璃/硅、聚合物等材质的芯片内流体驱动往 往还需要外接流体泵，且在检测过程中需要依赖外界设备辅助（如泵、阀等），成本较高；

3、现有微流控芯片内部对流体的操控过程中通常需要较为复杂的机构，通过气压、电、磁等方法进行流体操控，对芯片材料、制备工艺手段、微加工设备、控制装置等具有较高要求。

因此，目前从科研和产业化应用两方面的需求看，都亟需材料成本低廉、芯片制备过程容易实现、芯片耐储存、芯片内流体自驱动且具有对芯片内流体具有主动操控功能，能够在芯片内完成面向应用的全部实验分析检测过程的微流控技术体系。

期望实现的主要技术目标

微流控芯片的制备方法早期继承自微机电系统的微加工技术，多以硅/玻璃为材料，通过光刻的方法进行制备。近十几年来，随着前文介绍的各类聚合物材料替代硅/玻璃作为微流控芯片的主要基体材料，各类微流控芯片制备工艺方法层出不穷，有模塑成型、2D/3D 打印、热压成型、注塑成型等等，伴随聚合物等新型材料的应用还出 现了一系列的微流控芯片键合方法。 微流控芯片制备工艺、芯片材料、芯片微观结构与芯片最终功能实现的内在联系和互相制约影响。实际应用中，应该从微流控芯片的功能需求出发，首先倒推选择适合的微观物理结构，之后根据功能需求确定材料物理化学性能要求，合理选择适用的芯片基体材料与相应的加工方法。技术指标主要有以下几方面：

1、芯片微结构的制备精度：芯片制备精度各异，与制备方法的选择具有直接关系，光刻法和模塑成型精度较高但材料和制备成本高昂，激光烧蚀和纸基微流控芯片等成本低廉，但精度较低，一般在数百微米的范围内。值得指出的是，微流控芯片中微结构的精度应以满足应用需求为目标，不宜片面追求过高的微结构制备精度而大幅提高芯片制备成本；

2、流体的驱动方式：流体的驱动方式与微流控芯片基体材料和制备方法的选择具有直接关系，如果采用外接泵（蠕动泵、注射器泵、压力泵等）驱动芯片内流体，则上述大部分材料和制备方法都适宜使用；如果采用芯片内集成泵（如膜片泵）的方法，则以选择 PDMS 薄膜材料为宜；如果选择流体通过毛细现象在芯片内自驱动目前则以选择纸基芯片为宜；

3、流体通道内表面的物理化学需求：不同的基体材料具有不同的表面物理、化学性能，需要面向应用的需求进行合理选择，微流控芯片在生命科学和化学领域的应用往往在表面亲疏水性、生物兼容性、耐腐蚀性、透气性、光学透过性能等方面有一些具体需求，实际应用中应根据需求选择微流控芯片的基体材料、制备方法以及内表面的改性方法。

需求解析

解析单位：“科创中国”科技创新全链条服务生态系统专业科技服务团（北京八月瓜科技有限公司） 解析时间：2022-11-21

张晖

中国电子技术标准化研究院

主任

综合评价

制作微流控芯片的主要材料有硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和纸基等。其中PDMS的使用范围最为广泛，但是PDMS材料容易吸附疏水性小分子，导致背景升高和检测偏差。为了克服非特异性吸附的问题，表面惰性且抗黏附的聚四氟乙烯材料开始被用于制作微流控芯片。技术需求方提出的以聚四氟乙烯等聚合物无纺纤维作为基底材料来制作微流控芯片，是当前的技术发展趋势。此项技术需求描述的精准度比较清晰，有难度但具有一定的可行性。 南京工业大学材料化学工程国家重点实验室通过微流体纺丝技术在二维黑磷片层原位桥接一维碳纳米管，使得黑磷具有较大的离子扩散通道，创制出黑磷微纳复合纤维无纺布电极材料，此材料具备高导电性、高能量密度、优异柔性超级电容器功能。该成果提升了在微流控受限空间下构筑一维纳微纤维储能穿戴材料认知水平，可望在LEDs、智能手环、柔性显示器等可穿戴领域获得应用，可以满足技术需求方将无纺纤维作为基底材料来制作微流控芯片的技术需求指标。 建议技术需求单位与南京工业大学材料化学工程国家重点实验室对接以进行联合研究。

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