微流控技术（又称芯片实验室技术）作为生物医药、微纳加工领域的核心前沿技术，能够在微米级流道内实现流体与生物颗粒的精准操控，其器件性能与应用边界，核心取决于基底材料的特性选择。聚合物凭借低成本、理化性能可调控、优异的生物相容性与加工适配性，已成为微流控芯片制备的核心基材。2022 年发表于国际期刊《Polymers》的权威综述，系统梳理了聚合物在微流控器件中的材料分类、加工工艺体系与多元化生物医药应用，为微流控芯片加工、器官芯片研发、生物医学检测等领域的发展，提供了全面的理论与实践参考。
图1. 微流控芯片和聚合物在各种应用中的利用（使用Bio-render.com制作，访问时间为2022年10月12日）。2. 微流控器件中使用的聚合物
1. 微流控器件用聚合物的材料分类与性能适配
微流控芯片的设计目标与应用场景，直接决定了聚合物材料的选型，综述中将适用于微流控器件的聚合物分为可降解与生物稳定两大类别，二者分别适配不同的加工与应用需求。
图2. 从单体到聚合物。图2中聚合物的线性、支化、交联和网络结构。从单体到聚合物。聚合物中的线性、支化、交联和网络结构（使用Biorender.com制作，访问时间为2022年10月12日）。聚合物（使用Biorender.com制作，访问时间为2022年10月12日）。
天然可降解聚合物是生物场景微流控器件的重要基材，壳聚糖、海藻酸钠、明胶、丝素蛋白等材料，凭借与细胞外基质高度相似的结构特性、优异的生物可降解性与交联成型能力，被广泛用于水凝胶基微流控芯片制备，可构建适配哺乳动物细胞生长的 3D 细胞培养微环境，其中丝素蛋白更是通过 FDA 认证，可用于组织工程支架与肝芯片等器件的制备。合成可降解聚合物则以 PLA、PGA、PLGA、PCL 为代表，这类经 FDA 批准用于临床的线性 aliphatic 聚酯，可通过单体比例调控降解速率与机械性能，适配可降解微流控支架的制备，在骨组织工程、肿瘤药物筛选芯片中应用广泛，同时也是微流控合成载药微球的核心材料。
生物稳定聚合物是微流控器件工业化与实验室研发的核心基材，其中 PDMS 是目前微流控领域应用最广泛的材料。PDMS 凭借软光刻工艺的高度适配性，可通过模具浇筑实现亚微米级流道结构的精准复刻，配合 PDMS 等离子键合机完成芯片封装，其高弹性、可见光范围内无吸收的光学透明性、优异的气体渗透性，使其成为细胞培养芯片、肺器官芯片、肝器官芯片的首选基底。PDMS 对准平台、键合对准平台的应用，进一步提升了多层微流控芯片的加工精度，而 PDMS 工作站、配套的 PDMS 热板、烘箱、打孔器、浇筑器等加工设备，实现了 PDMS 芯片制备的全流程标准化。
除 PDMS 外，热塑性聚合物是商用微流控芯片量产的核心材料，以 PMMA、PC、PS、COC/COP 为代表，这类材料具备高机械稳定性、优异的耐溶剂性与低吸水率，适配热压成型、注塑成型等规模化加工工艺。其中 PMMA 芯片、COC 微流控芯片在免疫检测、数字 PCR、LNP 制备等场景中应用广泛，有效弥补了 PDMS 在有机溶剂兼容性上的不足，成为工业化微流控器件的主流基材。
2. 聚合物微流控芯片的核心加工工艺与技术体系
聚合物材料的多元化理化特性，构建了从实验室快速原型到工业化量产的全链条微流控加工工艺体系，也是微纳加工与 MEMS 加工领域的重要技术分支。
在实验室研发层面，软光刻是 PDMS 芯片制备的核心工艺，该工艺依托光刻机完成 SU8 光刻胶模具的制备，通过 PDMS 浇筑、固化、脱模、打孔、键合完成芯片全流程制作。紫外光刻机、接触式光刻机的应用，可实现 2μm 级的图形加工精度，桌面式光刻机的普及也大幅降低了微流控研发的门槛，而电子束光刻、深硅刻蚀等 MEMS 加工技术，可制备高精度硅模具、金属模具，为树脂模具、PDMS 模具的批量复刻提供母版。针对热塑性聚合物芯片，激光加工、热压成型是实验室快速原型的主流工艺，可快速完成 PMMA、COC 芯片的流道制备与封装。
在工业化量产层面，注塑成型是热塑性微流控芯片规模化生产的核心工艺，可实现 PMMA、COP 芯片的低成本大批量制备，适配 IVD 检测、液滴微流控等商用场景。同时 3D 打印技术的快速发展，实现了复杂流道结构微流控芯片的快速定制化开发，在浓度梯度芯片、液滴发生芯片、微混合芯片的研发中优势显著，成为微流控芯片定制领域的核心技术。
表面修饰工艺是聚合物微流控芯片性能优化的关键环节，针对 PDMS、PMMA 等材料的表面特性，可通过氨基修饰、醛基化修饰、环氧基修饰、PEG 修饰等工艺，实现芯片表面的长效亲水处理或疏水处理，减少蛋白非特异性吸附，提升细胞黏附与培养效果，是细胞培养芯片、生物传感芯片制备中不可或缺的步骤。此外，阳极键合、选择性粘接等工艺的发展，也实现了聚合物 – 玻璃、聚合物 – 聚合物多层芯片的高可靠性封装，进一步拓展了微流控器件的应用边界。
3. 聚合物 – 微流控技术的生物医药核心应用场景
综述中重点阐述了聚合物与微流控技术结合后，在生物医药领域的四大核心应用方向，也是目前微流控技术产业化落地的核心赛道。
图5. 利用聚合物进行药物递送的不同方法示意图。各种药物递送系统的微流控协同合成。随后，微流控芯片可用于各种药物递送系统的细胞控制合成。随后，微流控芯片可用于细胞培养和药物毒性筛选（使用Biorender.com制作，访问时间为2022年10月12日）。图5. 利用聚合物进行药物递送的不同方法示意图。微流控控制
其一，药物递送载体的精准合成。微流控技术结合可降解聚合物材料，可制备单分散性高度均一的微球、纳米颗粒与聚合物囊泡，精准包载化疗药物、蛋白、核酸等活性成分。通过微流控液滴芯片，可实现 PLGA、壳聚糖载药颗粒的粒径与包封率精准调控，相比传统乳化方法，微流控合成的载药颗粒批次稳定性更高、靶向性更强，在肿瘤靶向治疗、口服胰岛素递送、抗菌抗生物膜治疗中展现出极高的应用价值。
其二，3D 生物打印与组织工程支架构建。天然与合成聚合物作为生物墨水，结合微流控技术实现了含血管化微流控通道的组织支架精准打印。海藻酸钠、明胶、PEGDA 等材料制备的生物墨水，可打印出带贯通微流控通道的三维支架，实现营养与氧气的持续输送，支撑干细胞、肝细胞、心肌细胞的长期三维培养，解决了传统大块组织工程支架核心坏死的行业痛点，为体外组织构建提供了核心解决方案。
其三，器官芯片与类器官模型构建。这是聚合物微流控技术最核心的应用方向，基于 PDMS 制备的器官芯片，可精准复刻人体组织的生理微环境，实现流体剪切力调控、细胞共培养、组织界面模拟。目前肺芯片、肝芯片、肾芯片、血脑屏障芯片、多器官芯片等模型，已广泛用于新药筛选、疾病机制研究，可有效替代传统动物模型，大幅提升新药研发效率。而类器官芯片、3D 细胞培养芯片的发展，进一步推动了肿瘤个性化药敏检测、精准医疗的落地，同时细胞分选芯片、细胞迁移芯片等功能化器件，也为细胞生物学研究提供了全新的技术平台。
图6. 典型生物细胞与人工细胞的结构。左图：含有不同类型细胞器的真核细胞。右图：模仿生物细胞结构的人工“合酶”细胞（使用Biorender.com制作，访问时间为2022年10月12日）。图6. 典型生物细胞与人工细胞的结构。左图：含有
其四，人工细胞与合成生物学研究。微流控技术为人工细胞的构建提供了核心平台，通过液滴微流控技术，可利用聚合物制备尺寸均一的细胞样微囊，模拟生物细胞膜的分隔效应与物质交换功能，实现胞内生化反应的区室化操控，为合成生物学、人工生命研究奠定了重要的技术基础。
4. 行业发展挑战与未来趋势
综述在结论中指出，尽管聚合物与微流控技术的结合取得了长足发展，但行业仍面临诸多核心挑战：PDMS 材料存在未交联寡聚物析出、强有机溶剂兼容性差、等离子体处理后疏水恢复等问题；多数聚合物微流控芯片仍停留在实验室研发阶段，规模化量产的工艺稳定性与成本控制仍需优化；器官芯片的生理相关性、行业标准化体系尚未完善，临床转化仍存在关键瓶颈。
未来，随着材料改性技术的进步，多功能复合聚合物材料将进一步适配微流控技术的多元化应用需求，解决单一材料的性能短板；3D 打印、注塑成型等工艺的持续升级，将推动微流控芯片定制、微流控代工产业的成熟，实现微流控芯片的低成本规模化生产；而聚合物微流控器官芯片与微传感器、人工智能技术的深度融合，将推动其在床旁快速诊断、个性化医疗领域的规模化落地，最终为生物医药、精准医疗产业的革新提供核心技术支撑。
参考文献：https://doi.org/10.3390/polym14235132
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