諾獎的MOF像搭樂高積木，這種技術也用了這個研究思路

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導讀

2025年諾貝爾化學獎已正式揭曉，三位科學家憑借在 “金屬-有機框架（MOF）開發領域的奠基性工作”斬獲該獎項。作為一類極具應用潛力的功能材料，MOF的核心特征是其內部存在大量規則空腔，可允許氣體及其他化學物質的分子自由進出并實現吸附與釋放。

這類材料的研發思路常以“樂高積木”作類比——金屬離子作為核心“積木塊”，通過配位鍵與有機配體這一“連接件”進行精準組裝，形成多樣的三維框架結構，這種可設計、可組合的特性也讓“樂高積木”的玩法被上升為材料領域的“構建哲學”。

事實上，這一“構建哲學”已在多領域研究中得到延伸應用。西南科技大學李國強領銜的團隊便將其融入微流控芯片研究，相關成果近期已刊載于《先進材料》（

Advanced Materials

李國強

西南科技大學制造科學與工程學院院長博士生導師

曹墨源

南開大學新能源材料化學研究所特聘研究員

博士生導師

劉嘉松

南開大學材料與化學工程學院博士生

自然界的許多生物演化了獨特的結構以實現對微小液滴的操控。濱鳥鳥喙的往復開合運動可以將液滴反重力地運輸至嘴部。一些蜥蜴則進化出了具有微小開放通道的皮膚，蜥蜴只需要將足支伸進水里，僅依靠皮膚上的毛細系統，就能汲取到所需要的水分，而不需要低頭喝水，確保持續警惕周圍的環境。

而人類對液滴的操控與利用同人類本身的歷史一樣悠久，早在17世紀，科學家們便開始探索毛細現象和微小通道中的流體行為，為微流控奠定了初步的理論基礎。如今，微流控技術已發展成為一門高度交叉的前沿學科，它通過設計精密的微通道結構，能夠在極小尺度上操控納升至皮升級別的流體，實現對細胞、顆粒、液滴的精準輸運、分離、混合與分析。這一特性使其在單細胞分析、器官芯片、即時檢測等領域展現出巨大潛力。

然而，盡管在基礎研究和技術開發方面已取得顯著進展，但“精準移取微量試劑”、“多樣化檢測需求”、“一步錯步步錯”的微流控器件問題仍然是業界難題。正因如此，發展高集成度、可編程化和更好生物相容性的微流控平臺已成為一個至關重要的研究方向。

開放通道微流控器件面臨的挑戰

無與倫比的易訪問性與操作簡便性是開放通道微流控設備最直接、最突出的優點。

研究者可以隨時、直接使用移液槍、探針或顯微操作儀接觸到通道內的樣品，進行添加、移除、混合或刺激等操作，而無需通過復雜的進口和閥門。無需復雜的泵送系統來驅替通道內的空氣，只需用移液槍將液滴直接加在通道入口或特定位置即可，極大地簡化了上樣流程。

同時芯片易于清洗和重復使用，通道是開放的，沒有永久性鍵合，因此清洗非常簡單徹底，只需擦拭或沖洗，避免了封閉通道中常見的堵塞和殘留問題，芯片可重復使用率更高。

開放通道微流控器件進行CO2的吸收

然而這一類器件通常是結構固定的，難以進行相互組裝配合，其路徑形狀、運動行為受到嚴重制約。因此在實際應用的過程中仍然有著不同程度的局限性。

模塊化微流控：從固定芯片到功能樂高的革命性演進

模塊化微流控（Modular Microfluidics）是微流控技術領域一次深刻的范式轉變。它摒棄了傳統“一 chip 一用”的固定、封閉設計思路，轉而借鑒“樂高積木”的構建哲學，將復雜的微流控系統分解為一系列具有獨立功能、可自由拼接和組合的標準單元模塊。

樂高拼圖概念微流控芯片

這些功能模塊通常包括：微泵、微閥、混合器、反應器、檢測單元、細胞培養室等。研究者可以根據特定的實驗需求，像搭積木一樣，通過標準化接口（如物理卡扣、磁性連接或流體插頭）將這些模塊快速組裝成一個完整、可定制的微流控系統。

其核心優勢在于極高的靈活性與可重構性。一個模塊化平臺無需重新設計、加工整個芯片，即可輕松實現功能切換或流程優化，極大地加速了實驗迭代和原型開發速度。同時，它顯著降低了使用門檻和成本——某個單一模塊的損壞只需更換該單元，而非拋棄整個昂貴芯片，這使得在資源有限的實驗室或課堂教育中普及微流控技術成為可能。

此外，模塊化微流控極大地促進了跨學科合作。生物學家、化學家或臨床醫生無需精通微加工技術，也能通過組合預制的功能模塊，自主構建滿足其專業需求的個性化實驗平臺。

目前，模塊化微流控正成為即時診斷（POCT）、合成生物學、器官芯片（Organ-on-a-Chip）和空間組學等前沿領域的強大助推器。它不僅是技術上的創新，更代表了一種開放、協作、可擴展的新理念，正在重塑我們操控微觀流體的方式，推動生命科學研究和醫療應用走向一個更高效、更靈活的未來。

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方向性模塊化微流控

方向性是微流控技術中一個專注于操控流體定向流動的重要分支，其核心目標是通過設計芯片自身的微觀結構或表面特性，實現流體在特定方向上的自主、可控輸運，從而減少對外部泵閥系統的依賴。這一領域的關鍵在于創造流動阻力的各向異性，使流體在不同方向上遇到不同的阻力。主要實現策略包括利用表面化學不對稱性（如在通道內制造親疏水性梯度，驅動流體從疏水區域流向親水區域）、幾何結構不對稱性（如采用楔形通道、溝槽結構或特斯拉閥等設計，利用毛細力差引導定向流動）以及外場驅動不對稱性（如通過表面聲波或不對稱電極產生定向驅動力）。這些方法往往結合使用，形成聯合驅動策略，以增強定向輸運效果。

方向性微流控在多個領域展現出重要應用價值。

• 在診斷檢測中，它使自驅動試紙（如高級側向層析試紙）能夠依靠毛細作用實現樣品的定向流動與檢測；

• 在仿生系統中，它可模擬植物的水分輸運機制，為長期細胞培養提供自驅動的營養供應；

• 在混合與分離過程中，不對稱結構可驅動流體產生定向渦流，實現高效混合與分離；

• 在可穿戴設備中，定向微流道能夠實現汗液的持續收集與輸運，助力實時健康監測。

總體而言，方向性微流控不僅推動了微流控器件向更簡化、可靠和節能的方向發展，也為智能仿生系統與即時診斷技術的創新提供了關鍵支持。

具有方向性的概念微流控

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可編輯微流控

可編輯則是微流控技術領域一個前沿而富有前景的方向，它賦予了微流控芯片動態可重構的能力，使研究人員能夠像在計算機上編輯文檔一樣，在同一個硬件平臺上通過軟件指令或簡單操作，靈活、實時地修改流道功能、連接路徑和實驗流程，而無需更換芯片或其物理結構。它超越了模塊化微流控的“硬件拼接”理念，致力于實現更高程度的軟件定義流路和時空動態控制。

實現可編輯性的技術路徑多樣，比如數字微流控，通過在二維電極陣列上施加不同的電壓序列，實現對離散液滴的精確操控（如移動、分裂、合并），其流路功能完全由軟件定義的電極激活模式所決定，具有極高的靈活性。除此之外還有磁控微流控，將摻有磁性顆粒的智能材料（如磁流體、磁性水凝膠）作為“活動部件”，通過外部磁場的變化來動態調節閥門的開閉、泵的運作甚至流道的形狀。

可編輯微流控的應用價值巨大。

• 在細胞研究中，它允許在一塊芯片上先后運行截然不同的實驗。例如先進行動態濃度梯度培養以篩選藥物，隨后立即重構流路，將特定響應細胞進行分離和收集，極大提升了研究效率和單芯片的利用率。

• 在合成化學領域，它像一個可編程的微型化工廠，研究人員可通過軟件快速嘗試不同的反應物混合順序、反應停留時間等參數，加速反應條件的優化過程。

• 在器官芯片領域，可編輯性意味著能夠動態模擬生理或病理條件下血流的變化，例如通過軟件控制瞬間“阻塞”某一通道來模擬心肌梗塞，以研究缺血對心臟組織的影響。

可編輯的概念微流控

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飛秒激光加工：為微流控器件制造注入“精準”與“自由”

在模塊化微流控器件的制造過程中，飛秒激光加工技術正扮演著一位如同擁有“神之手”的工匠角色。其獨特的“超快超強”特性，即以極高的峰值功率在百萬億分之一秒的極短時間內與材料相互作用，帶來了“冷加工”效應，使得它能夠以前所未有的精度、幾乎無材料限制的方式，實現復雜的三維微納結構制造，極大地推動了模塊化微流控的發展。

飛秒激光焦點可以精確定位于透明材料（如玻璃、石英、PDMS）內部的任意一點，通過非線性吸收效應，只改變焦點區域的物質性質，從而實現在材料內部“直寫”三維流道、空腔和連接孔，無需層層鍵合，避免了接口和死體積問題。從聚合物、玻璃到陶瓷甚至金屬，飛秒激光幾乎可以在任何材料上實現高質量微加工。這為制造具有不同功能需求（如生物相容性、光學性能、機械強度）的模塊提供了極大的材料選擇自由度。

同時飛秒激光的加工精度可達亞微米級別，并能獲得異常光滑的通道內壁（粗糙度<100 nm），這顯著減少了流體流動的阻力，并最大程度降低了生物分子吸附和細胞粘附的風險，對于細胞培養和敏感檢測模塊至關重要。

維也納理工大學與慶應義塾大學的研究人員已經可以直接在生物相容性水凝膠（如GelMA）內部，用飛秒激光“雕刻”出高度仿真的3D毛細血管網絡或肝小葉結構。然后將這個包含精細內部結構的凝膠模塊作為一個整體，與其他流體控制、傳感模塊進行集成，構建出高度仿生的模塊化器官芯片系統。

肝小葉結構示意圖（左）與芯片上血管化肝小葉培養9天后的三維視圖（右）

模塊化微流控器件產業化與展望

模塊化微流控器件的應用正以前所未有的靈活性重塑多個領域的研究范式。通過將復雜功能分解為標準化的可互換模塊，研究人員能夠像搭建樂高積木一樣快速構建定制化實驗平臺。

在生物醫學工程領域，模塊化微流控展現出巨大潛力。

哈佛大學Wyss研究所開發的“器官芯片”系統，通過組合不同的器官模塊（如腸、肝、腎模塊），成功模擬了人體內藥物代謝的完整過程。于2010年在《科學》（

Science

通過這個芯片，可實時模擬人類肺部的結構以及工作機制：吸氣肺部舒張，血液從吸入的空氣中提取身體所需的氧氣；呼氣肺部擠壓，排出二氧化碳。這整個過程都可以在一塊小小芯片中完整還原。

器官微流控芯片

唐納德·英格伯（Donald E. Ingber）在華展示“器官芯片”

藥物篩選與合成領域同樣也受益匪淺。

諾華制藥公司與麻省理工學院合作開發的模塊化微流控平臺，允許研究人員通過組合不同的反應器模塊和混合器模塊，快速構建多達數百個并行反應的微反應系統。每個模塊包含獨立的微閥和傳感器，可實時監測反應條件，顯著提高了先導化合物優化的效率。

然而現有的模塊化研究仍然面臨復雜如制備復雜、接口標準化以及液體輸送方向性等工程挑戰。

為了解決這些問題，西南科技大學團隊結合自然界所獲取的楔形接口靈感，結合飛秒激光的高精度、廣材料加工特性，開創性的研發了一種靈活可編程的微流控器件（MFUs），技術核心是利用楔形接口的不對稱拉普拉斯力使液體實現了單向流動效果，同時多種規范化的單元使得液體路徑靈活多樣，即插即用。

所開發的器件具備到單通道100 mm/s、組裝路徑30 mm/sd的液體傳輸速度，在傳輸過程中的損失率低于5%，遠優于傳統微流控芯片的10%～15%，尤其適合珍貴樣品（如生物試劑、微量污染物樣本）的操控；

寬溫域：從室溫到60℃的環境下均能穩定工作，覆蓋了多數化學、生物實驗的溫度需求；

高容錯：剛性的單元在組裝后展現出了±5°的可變形性——即使路徑輕微偏移，液橋仍能穩定形成，避免了傳統剛性通道“一歪就漏”的問題。

這項技術的潛在應用場景正逐步清晰。在西南科技大學的實驗室里，科研團隊已演示了多項功能：

分步液體輸送：組裝成多邊形路徑的MFUs，能從3個不同入口依次向中心收集單元輸送液體，精準控制加樣順序，可用于酶聯免疫檢測中的分步試劑添加；

可切換分流器：通過更換單元，160微升的液體可被均勻分成3-8等份，無需稱重設備，適用于環境監測中的多平行樣制備；

微型反應平臺：在組裝的MFUs陣列上，成功完成了鹽酸電解制氯、亞硝酸鈉與對氨基苯磺酸的顯色反應，以及鹽酸普魯卡因的電位滴定——整個過程無需大型儀器，像“芯片上的微型實驗室”，未來可集成到便攜式檢測設備中，用于野外醫療或食品安全快速檢測。

“相比傳統技術，MFUs無需外部動力、可靈活重構，還能實現液體的自發單向傳輸，這為‘綠色化學’和‘精準檢測’提供了新工具”。團隊研究成果已發表在國際期刊《先進材料》（

Advanced Materials

MFUs實現順序液體流動路徑

MFUs可編程性液體流動路徑

結 語

展望未來，模塊化微流控的發展將圍繞以下幾個關鍵方向：

首先是接口的標準化，制定全球統一的微流體接口標準是推動技術普及和生態發展的基石；

其次是更高層次的集成化，將驅動、控制、傳感等功能更深度地集成到模塊或底板中，提升系統性能和便攜性；

再者是與先進制造技術（高精度3D打印、激光加工等）的結合，這將助力制造出更具復雜結構和多功能集成的三維模塊；

最后是與人工智能的結合，通過AI輔助的系統設計和智能控制，實現模塊化微流控系統的自我優化和自動化操作。

盡管面臨接口密封性、死體積控制等工程挑戰，模塊化微流控所賦予的無限靈活性、可重構性以及降低的技術門檻，正在使其成為生命科學、臨床診斷、合成化學等領域不可或缺的創新工具，未來有望在個性化醫療、太空生物實驗、可穿戴設備等前沿領域開辟全新的應用范式。

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