水滴引发“生物技术”革命

　　医学、农产品加工……水滴的能量蕴藏着无数种可能。生物技术工程师如今拥有了符合他们雄心壮志的工具。微流控革命正在进行。

　　水滴的力量一鸣惊人。

　　虽然生化学家只是刚刚意识到，水滴表面的力能够铸就生命必需的复杂分子，可是工程师们梦想着攫取、开发这种非凡的能量已有15年。今天，他们正在成功的道路上迈进。

　　这些直径几微米的普通水滴不仅可以提供不可或缺的生命火花，而且正在成为生物技术的基本组件。因此，越来越多的专家开始谈论一场微流控革命，它涉及医学、工程学、农产品加工等众多领域。

　　像电子芯片一样

　　数十家创新企业正在起步。研究人员不再矜持，人人都想分享自己的热情，描述他们的规划，推广他们的技术。

　　至于专业实验室的数量，哈佛大学、巴黎综合理工学院、麻省理工学院、牛津大学、荷兰屯特大学……全球最负盛名的研究机构都配备了自己的“微流控团队”。

　　为了集中每个月在该领域涌现的大量论文，甚至还创建了一本期刊：《芯片实验室》（Lab-on-a-chip）。巴黎新近成立了一家专门进行该技术研究的机构，汇集了14家实验室的165名研究人员。

　　该技术的前景令人难以置信。它令人得以在几十微米的尺度上控制流体，而在这些理想的试件中，发生着极其微小的生物和化学现象。不再需要吸管和其他玻璃仪器，不再需要等待。一切都发生在一块几平方厘米的塑料片上，上面印刻着微型液压回路，集合了化学实验室的所有功能：就仿佛一片微电子芯片，不过它传送的是液体，而不是电流。

　　在麻省理工研究该课题的皮埃尔·托马斯·布兰（Pierre Thomas Brun）总结说：“现在只需要一块微流控芯片和一台显微镜就够了。一滴水可以被分成10000份，每个微型水滴相当于一只烧瓶。我们可以控制所有参数，可靠性极高。”

　　我们可以和培养皿说再见了……可以让细胞在模拟人体的液态球体内一个一个地生长，以测试药物的作用。“如果使用传统方法，需要几个月才能借助一个细胞系测试100000种分子。”酶技术全球领导者诺维信公司在该领域的专家阿里·法拉-阿拉吉解释说，“如果同时使用数百万水滴进行研究，我们就能对百万种成分进行检验……时间只需几小时！”

　　全方位应用

　　我们将可以对一滴血进行超高速化验。巴黎高等物理化工学院的玛丽-卡罗琳·朱利安（Marie-Caroline Jullien）指出：“我们能制造可携带的低成本小型实验室，就地检测牛奶，诊断患者的疾病……所需的溶剂和样本更少，而且任何分析都可行。”

　　或者用于探测癌细胞的微妙变异，制造精度达微米的乳剂和泡沫，乃至封装化学物质、药物或芳香，并定制其释放时间……“它将加速药品生产，加快农产品加工业、化学工业、化妆品业的流程。”巴黎综合理工学院的查尔斯·巴鲁（Charles Baroud）指出。“以及制造新材料，分析水质，寻找大气中的污染物。”法国原子能与可替代能源委员会的专家弗洛朗·马洛吉（Florent Malloggi）补充道。

　　“15年前开始批量生产纳米级水滴时，我们认为微流控将改变世界……结果什么都没发生。但变革会在今天爆发！”该领域的先驱、巴黎高等物理化工学院的安德鲁·格里菲思分析道。

　　这是因为，这条道路漫长而艰辛。

　　首先，这门新兴科学的原理刚在1980年代出现时，物理学家还很难造出线路中必需的微型通路、微型泵、微型阀和其他微型混合器。

　　受微电子学的启发，他们首先设计了利用印刻法雕刻硅片制造的微流控芯片，但造价高昂……

　　市场爆炸

　　直到1998年，美国物理学家、哈佛大学的乔治·怀特塞兹（George Whitesides）设计出一种聚合物芯片，解决了这一问题，它还具有足够的透明度，只需使用光学显微镜即可直接观察微回路中的现象。完美的水滴机器诞生了。

　　“一切就此起步。”玛丽-卡罗琳·朱利安回忆说，“此外，各个实验室研究了各种相关工具：水滴混合器、分离器、发生器……大家以为这就成功了。”

　　但他们忘记了，在微米层级，一切都有所改变，首当其冲的就是物理。“例如，当两束流体接触时，它们将平行流动，不会形成漩涡。”玛丽-卡罗琳·朱利安指出。科学家得为扩散现象、界面交换现象建模……“尤其是要找到提出问题的新方法。”查尔斯·巴鲁补充道，“在化学上，我们用吸管处理每种反应物，分析反应；在微流控中，我们把样本分成上万滴，再进行计算，因此必须采用新的概念和相应的数学方法。”

　　并非所有问题都已经得到解决。例如，专家们承认，还不理解用于研究水滴表面张力的物质带来的影响。另外，还需造出更加微型的吸管，将流体推进微流管……最后，还得降低成本，以说服工业界改变现有流程。

　　“现在已经有一种售价40美元的微流控芯片，可测量血样中的葡萄糖水平。”皮埃尔-吉勒·德热纳研究所所长帕特里克·塔布兰（Patrick Tabeling）介绍道，“这个价格得降至五分之一到十分之一，才能大规模生产，推广到所有医院。”

　　但今天的微流控界号称已经做好准备，工业界也乐于接受。尽管大公司仍然守口如瓶，但传言称欧莱雅、米其林、圣戈班、联合利华已经开始组建团队。2014年，英国文化协会估测其市场总额达60亿美元，今年的增长率为15%～20%。“我们拥有足够的制造方法和材料，能把微流控用于解决问题，而不再只是展示原理。”乔治·怀特塞兹总结道。

　　2001年，麻省理工《技术评论》曾预言，微流控将在本年度改变世界。希望它只搞错了15年！

　　40亿年前，大自然可能首次在水滴中锻造了生命所必须的复杂分子。而人类在观察了这些微型液体球、思考了其特性、计算其行为、制造了数千次样本后，终于从中得到启发。

　　无论是天然水滴还是人造水滴，它们都正在被公认为终极版的化学实验室，以及生命的普遍能源。