Vi lưu chất là ngành khoa học và công nghệ kiểm soát một lượng chất lưu cực nhỏ bên trong các kênh dẫn siêu nhỏ. Các chất lưu này có thể là chất lỏng hoặc chất khí, và các kênh dẫn thường có chiều rộng chưa đầy một milimét.

Ở quy mô này, các chất lưu có hành vi khác biệt. Sức căng bề mặt, độ nhớt và cấu trúc hình học của kênh dẫn bắt đầu đóng vai trò quan trọng hơn trọng lực hoặc dòng chảy rối. Điều đó mang lại cho các kỹ sư và nhà khoa học một lợi thế hữu ích: các thể tích nhỏ có thể được dịch chuyển, trộn lẫn, gia nhiệt, tách biệt hoặc phân tích với mức độ kiểm soát cao.

Đây là lý do tại sao công nghệ vi lưu được sử dụng trong nhiều thiết bị khoa học sự sống nhỏ gọn. Công nghệ vi lưu phép một thiết bị quản lý các mẫu thử và thuốc thử theo cách có kiểm soát, thường tốn ít không gian hơn, ít chất lưu hơn và các bước quy trình ngắn hơn so với các thiết lập phòng thí nghiệm truyền thống.

Công nghệ vi lưu hoạt động bằng cách dẫn đường cho các chất lưu đi qua các vi kênh, buồng chứa và các điểm kiểm soát được thiết kế chính xác. Thay vì dịch chuyển một lượng mẫu lớn qua các đường ống, thiết bị vi lưu có thể dịch chuyển một lượng cực nhỏ mẫu thử và thuốc thử thông qua một đường dẫn nội bộ nhỏ gọn.

Một quy trình vi lưu đơn giản thường bao gồm:

• Một cổng vào, nơi mẫu thử hoặc thuốc thử đi vào thiết bị
• Các vi kênh, dẫn đường cho chất lưu đi qua lộ trình
• Các bộ phận điều khiển, chẳng hạn như áp suất, mao dẫn, bơm hoặc van
• Các khu vực xử lý, nơi diễn ra quá trình trộn, gia nhiệt, tách biệt hoặc các phản ứng
• Một khu vực phát hiện hoặc đầu ra, nơi kết quả có thể được đo lường, đọc hoặc chuyển tiếp

Cấu trúc thiết lập chính xác sẽ tùy thuộc vào từng nhiệm vụ. Một thiết bị chẩn đoán, một hệ thống phân liều và một mô hình cơ quan trên chip đều có thể áp dụng các nguyên lý vi lưu, nhưng chúng không cần một cấu trúc kiến trúc giống nhau.

Hãy hình dung một chip vi lưu giống như một lộ trình nhỏ, có cấu trúc dành cho chất lưu. Mẫu thử đi vào chip, di chuyển qua các kênh dẫn hẹp, đi đến một hoặc nhiều vùng chức năng và sau đó tạo ra một kết quả có thể đo lường được. Trong một hệ thống phòng thí nghiệm trên chip, lộ trình này có thể thay thế cho nhiều bước phòng thí nghiệm thủ công. Một thiết bị duy nhất có thể hỗ trợ chuẩn bị mẫu, trộn thuốc thử và kiểm soát các điều kiện phản ứng.

Kết quả mang lại là một quy trình nhỏ gọn hơn. Các bước từng đòi hỏi nhiều không gian hơn, nhiều thao tác thủ công hơn và nhiều linh kiện riêng biệt hơn đang trở nên ngắn hơn và dễ kiểm soát hơn.

Ở quy mô vi mô, dòng chảy chất lưu thường được kiểm soát chính xác và có thể dự đoán được. Trong nhiều hệ thống vi lưu, dòng chảy là dòng chảy tầng, nghĩa là các lớp chất lỏng di chuyển song song với nhau với sự trộn lẫn tối thiểu do hiện tượng hỗn loạn gây ra. Điều này thay đổi cách các kỹ sư thiết kế một thiết bị: Việc trộn, định lượng và thời gian phản ứng thường phụ thuộc vào hình dạng kênh, chiều dài đường dẫn, kiểm soát áp suất và các tính chất bề mặt của vật liệu.

Ba nguyên tắc sau đây đặc biệt quan trọng:

• Hiệu ứng bề mặt trở nên mạnh hơn, vì các chất lưu tiếp xúc với diện tích bề mặt lớn hơn so với thể tích của chúng
• Dòng chảy có thể dự đoán được hơn, giúp cho việc phân liều và phân tích mẫu có tính lặp lại cao
• Các thể tích nhỏ phản ứng nhanh chóng, vì khoảng cách truyền nhiệt và truyền khối ngắn

Điều này có thể đặc biệt quý giá đối với các quy trình sinh học và hóa học. Cần ít mẫu hoặc thể tích thuốc thử hơn, và có thể thực hiện các bước nhạy cảm có thể trong môi trường được kiểm soát.

Vi mạch chất lỏng được sử dụng ở bất kỳ đâu khi cần kiểm soát, phân tích hoặc xử lý các thể tích chất lỏng nhỏ. Trong lĩnh vực khoa học đời sống, đó thường là không thể thiếu trong các ứng dụng mà không gian, thể tích mẫu và tính lặp lại là yếu tố quan trọng.

Các lĩnh vực ứng dụng thường gặp bao gồm:

• Chuẩn đoán và IVD, bao gồm xét nghiệm tại điểm chăm sóc và máy phân tích nhỏ gọn
• Hệ thống Lab-on-a-chip, nơi các chức năng phòng thí nghiệm được tích hợp vào một thiết bị nhỏ
• Vi lưu trong sinh học, chẳng hạn như xử lý tế bào, phân loại tế bào hoặc phân tích tế bào đơn
• Mô hình Organ-on-a-chip, nơi các kênh vi dòng nhỏ cung cấp dưỡng chất cho tế bào
• Sàng lọc thuốc, nơi việc thử nghiệm và phân tích dựa vào lượng nhỏ chất lỏng
• Quy trình liệu pháp tế bào tự động hóa, nơi việc vận chuyển chất lỏng chính xác đóng góp vào một quy trình được kiểm soát tốt
• Dụng cụ phân tích, nơi mẫu thử, hóa chất và khí cần di chuyển qua các đường dẫn xác định

Nếu bạn làm việc với các thiết bị khoa học đời sống nhỏ gọn, các tài liệu sau đây có thể cung cấp thêm thông tin chi tiết về chủ đề này. Các nhóm nghiên cứu của chúng tôi đang tìm hiểu các khái niệm vi lưu cho tự động hóa phòng thí nghiệm và công nghệ y tế, và cách ứng dụng trong các lĩnh vực như liệu pháp tế bào CAR-T tự động hóa và hệ thống mô phỏng cơ quan trên chip.

Vi lưu không chỉ là làm cho các đường dẫn chất lỏng nhỏ hơn. Đó là việc cung cấp cho các kỹ sư và nhà khoa học một kiến trúc hiệu quả để kiểm soát chính xác các thể tích chất lỏng nhỏ, giúp các thiết bị nhỏ gọn có thể xử lý mẫu, chất phản ứng và phản ứng với hiệu suất tối đa.

Những điểm quan trọng nhất là:

• Vi lưu kiểm soát các thể tích chất lỏng hoặc khí nhỏ bên trong các kênh và buồng nhỏ
• Hành vi chất lỏng thay đổi ở cấp độ vi mô, nên các hiệu ứng bề mặt, dòng chảy lớp và hình dạng kênh là đặc biệt quan trọng
• Các thiết bị vi lưu có thể kết hợp nhiều bước trong phòng thí nghiệm trong một định dạng nhỏ gọn, chẳng hạn như định lượng, trộn, kiểm soát và phát hiện phản ứng
• Các ứng dụng khoa học đời sống thường được hưởng lợi ích từ việc kiểm soát chất lỏng chính xác, đặc biệt là khi thể tích mẫu, tính lặp lại và kích thước thiết bị có vai trò quan trọng

Một khi các nguyên lý cơ bản đã rõ ràng, bước hữu ích tiếp theo là tìm hiểu xem việc kiểm soát chất lưu có thể mang lại lợi ích như thế nào cho độ tin cậy, tính lặp lại hoặc khả năng mở rộng quy mô của thiết bị.