微流控技术与可穿戴生物传感器的融合，正在颠覆传统医疗诊断模式，实现对汗液、唾液、泪液、组织间液等生物流体的无创、实时、连续监测。2026 年发表于《Lab on a Chip》的这篇综述，系统梳理了可穿戴微流控系统的设计原理、材料选择、制备工艺与未来趋势，为科研人员和产业从业者提供了从理论到实践的完整指导，也为微流控芯片定制、PDMS 芯片加工、器官芯片研发等领域指明了技术方向。
图1 可穿戴传感器用微流控技术。a）生物流体用微流控：泪液、唾液、呼吸气、组织间液（ISF）和汗液。该示意图展示了可穿戴生物传感器用微流控的基本组成部分。进样口使流体流入系统，阀门和泵控制流体流动，储液池与生物传感器助力样本采集和分析物检测，互连结构实现与外部电子设备的连接，出液口则允许流体从系统流出。b）微流控设计流程概览：从明确需求与限制条件、研究现有设计，到微流控布局设计、制作原型并进行测试。
图2 微流体体积尺度与长度尺度的尺寸对比。该图展示了微流控设备所采集的小体积与自然界中常见物体的对比情况。
1. 可穿戴微流控技术的发展与核心价值
传统实验室诊断存在成本高、耗时久、依赖专业人员的痛点，而可穿戴微流控生物传感器将采样、流体操控、生物检测与信号传输集成于一体，可直接在皮肤表面完成 “实验室级” 分析。该技术起源于 20 世纪 90 年代的微全分析系统（μTAS）概念，2010 年后逐步从实验室走向人体应用：2014 年 Rogers 团队推出首款超薄表皮微流控贴片，2016 年实现多生物标志物比色检测，2024 年 Ye 等人开发出基于毛细管爆裂阀的连续雌二醇监测传感器，标志着可穿戴微流控技术从单一指标检测迈向精准时序分析。
制造限制。该系统可能包括多个采样入口、储存器和微通道，具体取决于设计。c）层流图3用于汗液收集和传感的可穿戴微流控设备。a）设备的爆炸视图。底部粘合剂层将设备连接到皮肤上，并包含至少一个采样入口（SI）以收集汗液。微流控层，通常由PDMS等柔性材料制成，包含从SI接收收集的汗液的微流控入口（MI）。该层包括将流体引导到储存器的通道，传感器位于该储存器中。从储存器中，汗液通过出口通道引导到设备外部。顶层是包含生物传感器（印刷电极）的微流控盖。b）关键几何参数。储存器具有长度\(\ell_{r}\)、宽度w和高度h；出口通道具有长度、宽度w，并且共享相同的高度h。通常，由于三种设备配置的流线，所有微流体组件都具有相同的高度：（i）在紧凑型储存器的相对端对齐的单个入口和出口，与传感器占地面积非常匹配。这种设计最大限度地减少了死体积，并确保传入的流体直接通过传感器表面。（ii）类似的单入口/出口布局，但具有超大的储存器。很大一部分流体不会流过传感器，导致死体积增加和传感效率降低，并增加填充储存器的时间。（iii）具有多个采样入口的配置通过短微通道连接到储存器。在一些设计中，需要多个入口来确保从大的皮肤区域收集足够的汗液。然而，这在最小化连接通道的长度和优化相对于出口的储存器入口位置之间引入了权衡。在这个例子中，只有位于出口正对面的入口（蓝色流线）有效地引导流体穿过传感器表面。位于更靠近出口的入口（红色流线）贡献最小，流体绕过传感区域。这突出了仔细平衡入口放置和通道路由以实现高效分析物输送的重要性。
目前，PDMS 微流控芯片是可穿戴领域的主流平台，其弹性与皮肤力学特性匹配，生物相容性优异，可通过成熟的软光刻工艺制备复杂微通道网络。同时，纸基微流控、热塑性微流控等技术也在快速发展，分别满足低成本一次性检测和大规模量产的需求。
图4 a) 通道网络内的粘性压降。该压力）。产生的净压力需为正值，以形成驱动压力（正压力）和背压（负压力），而净压力是粘性压力与汗腺产生的毛细自然驱动压力叠加的结果。由于粘性力、毛细力以及微流控系统的作用，微流控装置中存在背压。该图展示了作用于入口通道和出口通道内的压力。b) 微流控入口（MI）中的压力分布，图中较大的粘性压降代表流动过程中因粘性力产生的压力损失，对应持续正向流动的状态。
2. 可穿戴微流控系统的工程化设计原理
微尺度流体行为与宏观尺度存在本质差异，这是可穿戴微流控设计的核心依据。综述通过无量纲分析明确了微流控的主导作用力：雷诺数（Re≪1）表明流动为层流，粘性力主导；毛细管数（Ca≪1）说明表面张力是流体驱动的关键；邦德数（Bo≪1）则证实重力可忽略，设备不受体位影响；佩克莱数（Pe≫1）意味着对流是 analyte 传输的主要方式，需保证流体持续刷新传感表面。
基于上述原理，可穿戴微流控设计需重点优化三大核心模块：一是储液池设计，尺寸需与电化学或光学传感器精准匹配，最小化死体积，避免 analyte 残留；二是微通道设计，通过调节通道宽度、高度和长度控制流阻，平衡采样速度和压力损耗；三是流体控制技术，被动控制如毛细管爆裂阀、毛细管压力控制阀无需外部能源，是可穿戴设备的首选，主动控制如热响应水凝胶阀则可实现更复杂的时序采样。
图5基于聚合物的微流控可穿戴生物传感器。a）基于PDMS的微流控与几种代谢物和汗液中pH值的纸质比色检测的集成2.80亿）用于测量汗液中葡萄糖和乳酸的PDMS电化学传感器。图（i）-（iii）表示创建微流控通道和水库的层。47 c）汗液通过金改性PET六角灯芯传输，用于检测汗液中的乙醇。71 d）用于汗液中雌二醇检测的基于PET的微流控通道和阀。图（i）-（iv）表示微流体和生物传感器的工作流程。49[a）该图改编自参考文献（28），并获得美国科学促进会的许可，版权所有2016；b）该图改编自参考文献（47），并获得美国化学学会的许可，版权所有2017；c）该图改编自参考文献（71），并获得英国皇家化学学会的许可，版权所有2018；d）该图改编自参考文献（49），版权所有2023]。
综述还提供了完整的设计案例：一款用于运动中乳酸和钠连续监测的汗液传感器，采用 3mm×12mm×300μm 的储液池（体积 10.8μL），搭配 37mm 直径的采样入口，可在出汗后 12 分钟内启动测量，总流体压降仅 100Pa，远低于汗腺 1.3-10kPa 的分泌压力。配套的开源 Jupyter Notebook 工具可快速计算流体参数、优化几何尺寸，大幅降低微流控芯片设计门槛。
3. 可穿戴微流控芯片的材料体系与制备工艺
材料选择和制备工艺直接决定了可穿戴微流控芯片的性能、成本和量产可行性，也是 PDMS 芯片加工平台、MEMS 加工服务的核心应用场景。
图6 纸质微流控可穿戴生物传感器。a) 通过在纸质微流控结构上沉积碳粉墨水来定义微通道¹⁸。b) 用于检测汗液流失量、汗液速率和汗液中尿酸水平的拉曼光谱纸质微流控器件⁹⁵。c) 用于检测泪液中酒精、葡萄糖和维生素浓度的纸质可穿戴生物传感器⁶⁶。d) 用于检测唾液中葡萄糖和亚硝酸盐浓度的纸质护齿型生物传感器⁹⁷。[a) 本文图改编自文献(18)，经施普林格·自然授权使用，版权所有2019年；b) 本文图改编自文献(95)，经美国科学促进会授权使用，版权所有2022年；c) 本文图改编自文献(66)，经爱思唯尔授权使用，版权所有2019年；d) 本文图改编自文献(97)，经施普林格·自然授权使用，版权所有2019年]。
核心材料体系
- PDMS 弹性体：最广泛使用的微流控材料，杨氏模量（360-870kPa）与人体前臂皮肤接近，光学透明、化学惰性且易于成型。其主要缺点是天然疏水性，需通过等离子体处理、臭氧处理或硅烷化进行亲水修饰；同时存在非特异性吸附问题，可通过 PEG 修饰、氨基修饰、醛基化修饰等表面改性技术解决。
- 热塑性材料：包括 PMMA、PET、COC 等，机械强度高、透气性低，适合大规模量产，常用于微流控芯片代工和商业化产品。
- 纸基材料：天然亲水性、成本极低，适合一次性点 – of-care 诊断，但机械稳定性差，难以实现长期连续监测。
主流制备工艺
- 软光刻：实验室原型制备的金标准，通过光刻机制备 SU-8 光刻胶母模，再经 PDMS 浇筑、固化、脱模得到微通道结构，分辨率可达 20-100μm。该工艺需配套 PDMS 等离子键合机、PDMS 键合对准平台、PDMS 热板、PDMS 烘箱、PDMS 打孔器等设备，光刻代工和刻蚀代工服务可大幅降低研发投入。
- 层压工艺：通过 CO₂激光切割多层 PET、双面胶和 PDMS 薄膜后堆叠粘合，可在数小时内完成原型制作，分辨率 50-200μm，适合小批量试制。
- 3D 打印：可直接打印微流控芯片或 PDMS 模具，无需洁净室，支持复杂 3D 结构如空心微针、三维混合通道的制备，是快速迭代的重要手段。
- MEMS 加工：基于微纳加工平台，采用电子束光刻、深硅刻蚀等工艺制备高精度硅基微流控芯片，适合高端科研和医疗应用，国内多家 MEMS 加工公司已提供成熟的代工服务。
- 大规模制造：热压印、卷对卷工艺可实现百万级量产，单芯片成本可降至数元，是可穿戴微流控产业化的关键技术。
图7 微流控可穿戴生物传感器的制造方法。a) 基于层压的制造方法：堆叠不同材料的层以形成微通道。PI：聚酰亚胺，DS：双面胶带。b) 软光刻用于制造微流控制造的母模。将聚合物浇铸在模具表面并固化，将母模特征转移到聚合物基底上。c) 3D打印可用于制造母模，无需洁净室环境。但该方法的分辨率取决于打印机，与其他技术相比普遍较低。d) 激光制造法使用不同类型的激光在基底上刻蚀微通道。该方法也可用于制造母模。e) 热压印是一种大规模制造方法，利用母模和热塑性材料将微流控设计压印到聚合物片材上。
4. 行业未来发展趋势与前沿方向
经施普林格自然出版社许可改编自文献(119)，版权所有2024年；c) 本图经药物递送领域许可改编自文献(129)。129 [a) 经施普林格自然出版社许可改编自文献(65)，版权所有2020年；b) 开源微流控设计CAD软件及概念验证3D打印设备。119 c) 3D打印空心微针与微流控技术 图8 可穿戴微流控技术的未来趋势。a) 用于汗液流量控制和多路传感的热控水凝胶阀。65 b) Flui3d 经AIP出版许可改编，版权所有2019年]。
综述指出，可穿戴微流控技术正朝着设计自动化、功能集成化、应用多元化的方向发展，三大前沿领域值得重点关注：
一是AI 辅助设计自动化，机器学习算法可优化微流控结构参数，开源平台如 Flui3d 支持拖拽式设计，大模型可直接生成微流控组件代码，将研发周期从数月缩短至数天；二是多生物流体与多模态集成，泪液、组织间液微流控传感器逐步成熟，微针 – 微流控一体化系统可实现无创血糖监测；三是器官芯片与类器官芯片，微流控技术构建的 3D 细胞培养芯片、多器官芯片可精准模拟人体生理环境，成为药物筛选和疾病研究的核心工具，带动器官芯片加工平台和 3D 细胞培养芯片加工设备的需求爆发。
随着 PDMS 芯片加工技术的标准化、MEMS 加工能力的提升和产业链的完善，可穿戴微流控生物传感器将在个性化健康管理、慢性病监测、运动医学和精准医疗等领域实现大规模应用，推动医疗模式从 “疾病治疗” 向 “健康预防” 转型。
参考文献：DOI: 10.1039/d5lc00628g
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