纸基微流控技术在可穿戴软生物电子领域的应用与发展

可穿戴生物传感技术正推动医疗健康模式从传统医院诊疗向实时、个性化的床旁监测转型，而微流控技术作为连接人体与软电子系统的核心桥梁，实现了纳升至微升级生物流体的精准操控。在众多微流控材料体系中，纸基微流控凭借低成本、毛细管驱动、生物相容和可降解等独特优势，突破了传统 PDMS 微流控芯片依赖外部泵阀、制备复杂的局限，成为可穿戴软生物电子领域最具发展潜力的技术方向之一。本文将从核心原理、制备工艺、典型应用及未来挑战等方面，系统解读纸基微流控技术的最新进展与产业化前景。

1.    纸基微流控的核心原理与材料特性

纸基微流控以纤维素纤维交织形成的多孔网络为基础，其核心驱动力是毛细管作用，无需外部动力即可实现流体的自发传输、混合与分离，这一特性完美适配可穿戴设备低功耗、便携化的需求。纤维素材料具有从分子链、纳米纤维到纤维束的多级层级结构，可通过调控孔径、孔隙率、纤维取向和表面润湿性，精准定制流体的传输速率与路径，其流动规律可通过 Washburn 方程定量描述，为微流控芯片设计提供了理论依据。

图1用于可穿戴生物医学应用的纸基微流体。（a）灵活的纸基毛细管微流体平台通过与软微电子集成实现生物流体收集、目标识别和信号转导。（b）可穿戴纸基微流体传感系统，专为实时分析汗液和间质液而设计。

与传统微流控材料相比，纸基材料展现出显著的综合优势。无机基材料如硅、二氧化硅虽加工精度高，但成本昂贵且缺乏柔性；聚合物基材料如 PDMS、Ecoflex 虽柔韧性好，但需复杂的微纳加工工艺和外部驱动系统；水凝胶基材料易溶胀脱水，机械稳定性不足；纺织基材料则流体控制精度较低。而纸基材料不仅全球易得、可一次性使用，还具备优异的透气性和皮肤贴合性，长期佩戴不易引发刺激，其多孔结构还可原位存储检测试剂，简化了样品前处理流程。近年来，脱木质素木材、纳米纤维素薄膜等工程化纤维素材料的出现，进一步提升了纸基材料的机械可调性和各向异性流体传输能力，为高性能微流控器件的制备奠定了基础。

图2纸基材料及其结构可调性。（a）纤维素基纸的分级纤维结构。（b）纸基材料的不同结构可调性，包括对孔径、孔隙率、纤维排列、尺寸、结晶度、化学成分、表面分子结构和润湿性的调节。转载自参考文献25，获得施普林格自然公司的许可，版权2020。转载自参考文献33，获得ACS出版公司的许可，版权2014。

2.    关键制备工艺与多技术融合

纸基微流控器件的制备核心是在纤维素基底上精准定义亲疏水区域，构建功能化的流体通道与反应单元。目前主流的制备工艺包括印刷、激光雕刻和光刻技术，不同工艺在分辨率、 scalability 和成本上各有侧重，且与 MEMS 加工、表面修饰等技术深度融合。

印刷技术是最具产业化潜力的制备方法，其中蜡打印通过沉积固态蜡并加热渗透形成疏水屏障，工艺简单且适合快速原型制作，但受蜡扩散限制，分辨率较低；喷墨打印可实现皮升级液滴的精准沉积，不仅能制备疏水通道，还可直接打印银纳米线、石墨烯等功能材料构建电极和传感器，甚至能通过打印水溶性 “路障” 实现流体的时序控制；丝网印刷和柔版印刷则支持卷对卷大规模生产，适合一次性纸基微流控芯片的批量制造。

图3纸基微流体装置的功能和配置。（a）纸基微流体中的毛细管流动功能，包括运输、混合、定时、分离和分析物捕获。（b）用于护理点诊断的商业纸基微流体测定的典型配置。从参考文献37复制，经Wiley-VCH许可，版权2024。

激光雕刻技术作为无掩模加工方法，可通过计算机辅助设计快速制备复杂的多层微流控结构。其中激光诱导石墨烯技术是近年来的重大突破，通过 CO₂激光对纤维素进行热解，可在纸基上直接图案化导电石墨烯电极，同时保留其毛细管传输能力，实现了流体通道与电化学传感单元的一体化制备。该技术已被用于构建高通量纸基电流体平台，可在 20 分钟内完成 24 个样品的 CRISPR 报告基因分析，检测限低至 67 pM。

光刻技术则能实现最高的加工分辨率，通过在纸基上浸渍光刻胶并经紫外曝光、显影，可制备特征尺寸小于 200 μm 的精细通道。采用聚氨酯丙烯酸酯（PUA）基光刻胶制备的疏水屏障，相比传统蜡打印屏障具有更强的耐表面活性剂能力，可有效防止边界渗漏。此外，等离子体处理、化学蚀刻等表面修饰技术可进一步调控纸基的表面能，结合醛基玻片、羧基玻片等功能化基底的设计思路，实现生物识别分子的高效固定，提升检测的特异性和灵敏度。

界面，而非不脱层疏水油墨则形成永久性流动屏障。(c) 带有四种染料的测试平台的延时图像 图4 纸基微流控器件的设计与制备。(a) 通过图案压印对纸张进行毛细流调控。(b) 采用水不溶性油墨的纸-胶带计时系统示意图。脱层油墨可通过在从不同入口引入的溶液处形成空隙，实现流动的定时恢复。通过改变绘制计时器的数量实现毛细流的差异化延迟，从而完成顺序输送。经美国科学促进会许可转载自文献143，版权所有2022。(d) 包含捕获垫、激光诱导石墨烯（LIG）电极和吸附垫的多层垂直流器件示意图。(e) 基于多孔电极上靶标捕获的电化学检测分析。(f) 不同靶标浓度的缓冲样品的方波伏安图及相应的朗缪尔吸附拟合曲线。经Wiley-VCH许可转载自文献130，版权所有2023。(g) 基于聚氨酯丙烯酸酯（PUA）的紫外光刻制备纸基微流控通道。(h) PUA基屏障（上）与蜡印屏障（下）的耐表面活性剂性能对比。经Elsevier许可转载自文献69，版权所有2020。

3.    可穿戴软生物电子领域的核心应用

纸基微流控技术在可穿戴领域的应用主要集中在体表生物流体采样和实时生物传感两大方向，为无创健康监测提供了全新的解决方案。

图5 用于皮肤可穿戴生物流体采样的纸基微流控器件。(a) 一种设计用于通过毛细驱动流垂直传输汗液的纸基皮肤贴片。经英国皇家化学会许可转载自参考文献141，版权所有2015年。(b) 用于可穿戴汗液连续监测的纤维素纳米纤维纸基微流控器件。经Wiley-VCH许可转载自参考文献142，版权所有2025年。(c) 一种集成堆叠功能层与蛇形微通道的多层纸基微流控器件，可在皮肤表面实现汗液的高效传输。经美国科学促进会许可转载自参考文献143，版权所有2022年。

在生物流体采样方面，纸基微流控器件可实现汗液、组织液、唾液和伤口渗出液的连续、被动采集。例如，基于纤维素纳米纤维的微流控系统，通过调控通道宽度和厚度，可在 7 分钟内完成离子电渗诱导的汗液采集；采用蛇形通道设计的 “纸流体” 器件，能有效适应皮肤拉伸变形，避免结构损坏，同时通过改变通道宽度精准调节流体传输距离和时间。这些设计思路借鉴了细胞培养芯片中流道力学优化的经验，解决了可穿戴器件在运动状态下的稳定性问题。

在生物传感方面，纸基微流控已集成了比色、电化学和表面增强拉曼散射（SERS）等多种检测模态。比色传感器无需仪器即可通过颜色变化实现定性检测，适合资源有限地区的床旁诊断；电化学传感器凭借高灵敏度和小型化优势，可实时检测汗液中的葡萄糖、乳酸、β- 羟基丁酸等代谢标志物；SERS 纸基传感器则能提供分子水平的 “指纹” 识别，实现无标记、高特异性检测。最新的多模态纸基可穿戴系统，已能同时监测心电图、心率变异性等生理信号和多种生化指标，连续 7 天稳定工作，准确捕捉人体代谢状态的动态变化。

图6用于生物传感和汗液分析的可穿戴纸基微流控系统。（a）一种可穿戴等离子纸流控设备，将汗液提取和储存与快速表面增强拉曼光谱（SERS）分析相结合。转载自参考文献143，获得美国科学促进会许可，版权2022年。（b）一种可穿戴的、基于纸的化学电阻传感器，用于监测人体汗液。转载自参考文献146，获得Wiley-VCH许可，版权2019年。（c）一种多模态、多孔、软生物电子系统，结合基于CNF的微流控，用于监测能量代谢和消耗。转载自参考文献142，获得Wiley-VCH许可，版权2025年。

4.    现存挑战与未来发展方向

尽管纸基微流控技术取得了显著进展，但从实验室走向临床和商业化仍面临诸多挑战。技术层面，纸基材料的批次一致性差、电极与纸基界面稳定性不足、长期湿态下机械强度低等问题亟待解决；临床转化层面，多孔纸基的灭菌难度大、生物流体易蒸发和吸附、缺乏标准化的性能评价体系，制约了其医疗级应用。

未来，纸基微流控技术将朝着材料功能化、系统集成化和智能化方向发展。在材料方面，可降解纳米纤维素、导电纤维素复合材料的研发将进一步提升器件性能；在系统集成方面，将纸基微流控与微流控芯片代工技术、柔性电子技术结合，构建集采样、传感、信号处理和无线传输于一体的闭环系统；在智能化方面，融合机器学习算法和物联网技术，实现多参数数据的实时分析和健康预警。此外，纸基微流控与类器官芯片、器官芯片技术的交叉融合，还将拓展其在药物筛选、精准医疗等领域的应用，推动下一代个性化可穿戴医疗解决方案的落地。

参考文献：DOI: 10.1039/d5lc00754b