綜述：納米材料結合微流控器件在疾病診斷和治療中的應用

MEMS 2025-04-15 00:02

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微流控技術憑借其高靈敏度和精準的流體控制能力，在生物醫學領域（如藥物篩選、疾病診斷）展現出顯著優勢。相較于傳統方法，微流控技術能快速處理微量樣本并模擬復雜生理環境（如器官芯片），為體外研究提供更真實的模型。與此同時，納米材料憑借高比表面積、可功能化表面及獨特光學/電磁特性，成為增強檢測信號和靶向藥物遞送的核心工具。

近年，微流控技術與納米材料的融合已經成為生物醫學研究的一種趨勢。微流控器件和納米材料的結合，在疾病診斷和治療領域展現了卓越的前景。這兩種技術的協同作用可以分為兩個主要方面。首先，通過利用納米材料的獨特特性，包括磁性、光學或電化學特性，以及它們的高表面積體積比和易于功能化，可以顯著增強微流控器件。將具有不同形貌和多功能表面特性的納米材料整合到微流控系統中，可以快速準確地檢測疾病生物標志物。其次，在體外研究領域，通過微流控技術制造的器官芯片具有復制疾病微環境的能力。這些芯片作為高價值平臺可用于研究納米藥物對疾病的治療影響，從而評估療效和安全性。此外，器官芯片通過促進納米藥物的篩選在納米醫學研究中起著舉足輕重的作用，正成為推進新型藥物開發的關鍵步驟。

據麥姆斯咨詢介紹，河北大學和香港城市大學的研究人員近期在Nanomaterials上發表了一篇題為“Utilizing Nanomaterials in Microfluidic Devices for Disease Detection and Treatment”的綜述性文章。文章全面概述了過去五年結合納米材料與微流控器件用于疾病診斷和治療的最新進展。文章討論了納米材料的特定功能及其與微流控器件結合的優勢。此外，文章還展示了納米材料與微流控器件在創新醫療設備中的整合，特別是應用于皮膚接口和醫學成像技術。最后，文章評估了將微流控器件和納米材料整合用于臨床應用時遇到的挑戰，并提出了未來發展的潛在方向。

納米材料結合微流控器件在疾病診斷/治療和新型醫療中的應用

納米材料結合微流控器件在疾病診斷中的應用

生物標志物的檢測在疾病的早期診斷、個性化治療評估和預后判斷中起著至關重要的作用。通過利用結合納米材料的微流控器件，為疾病生物標志物的檢測開辟了一條新途徑。這種先進技術不僅顯著縮短了檢測所需要的時間，還大大提高了檢測靈敏度，從而推動了臨床診斷領域的進步。

在心血管系統中，利用納米顆粒進行基于微流控的生物標志物檢測

心血管疾病生物標志物檢測：利用微流控芯片和納米材料，如金納米雙錐體、金納米顆粒等，實現了對心肌鈣蛋白I（cTnI）、高敏心肌鈣蛋白T（hs-cTnT）等生物標志物的快速、高靈敏度檢測。

納米材料結合微流控器件在神經系統中增強檢測能力

神經疾病生物標志物檢測：通過表面增強拉曼散射（SERS）技術，結合微流控芯片，實現了對阿爾茨海默病（AD）生物標志物（如β-淀粉樣蛋白（Aβ）、tau蛋白等）的超靈敏檢測。

利用納米顆粒和微流控器件進行ctDNA和蛋白質檢測

腫瘤生物標志物檢測：利用微流控芯片和納米材料，如金納米顆粒、量子點等，實現了對循環腫瘤細胞（CTCs）、循環腫瘤DNA（ctDNA）、腫瘤外泌體等的高效捕獲和檢測。

納米材料結合微流控器件在疾病治療中的應用

納米材料在疾病的早期診斷和治療中顯示出巨大的潛力，通過放大檢測信號或作為捕獲生物標志物的基質，納米材料大大促進了疾病的早期診斷，對提高治愈率和降低治療成本具有深遠意義。在疾病治療中，納米材料常被用作有效的藥物載體，從而增強藥物的生物相容性和療效。

微流控技術為納米藥物治療效果的體外研究提供了必要工具。這些模型克服了傳統二維細胞培養和動物模型不能完全模擬人體復雜微環境的局限性。從而顯著提高藥物篩選的準確性和療效評估的可靠性。

在基于微流控技術的血管芯片中應用納米材料進行疾病治療

血管芯片：通過模擬血管環境，研究納米材料在血管中的滲透性和藥物傳遞效率，評估納米藥物的療效。

在基于微流控技術的血腦屏障芯片中應用納米材料進行疾病治療

血腦屏障芯片：利用微流控技術構建血腦屏障模型，研究納米材料的穿透能力和藥物傳遞效果，為腦部疾病治療提供支持。

在基于微流控技術的腫瘤芯片中應用納米材料進行治療評估

腫瘤芯片：構建腫瘤微環境模型，評估納米藥物在腫瘤治療中的效果，包括藥物的靶向性、釋放效率等。

納米材料結合微流控器件的新型醫療應用

未來醫學的進步很大程度上依賴于新的醫療技術。納米材料和微流控器件的結合已成為這一領域的前沿方向，推動了醫療技術的發展，并為未來的醫療解決方案提供了新的可能性。論文總結了納米材料和微流控器件在皮膚接口器件和醫學成像技術中的應用。

皮膚接口器件

微流控技術與納米材料結合用于皮膚接口器件

皮膚接口器件通過微流控技術與納米材料的結合，實現了對汗液和間質液中生物標志物的無創、高靈敏度監測。例如，基于激光誘導石墨烯（LIG）和花簇狀氧化鋅納米棒（FC-ZnONRs）的傳感器可檢測汗液中銅離子（Cu2?），檢測限低至0.0368 μg/L，適用于威爾遜病等代謝疾病的早期診斷。MXene/碳納米管復合材料電極通過電化學檢測膽紅素，靈敏度覆蓋0.005–0.6 mg/dL，為非侵入性新生兒黃疸監測提供新方案。此外，金納米顆粒（AuNPs）與MXene結合的納米生物傳感器可實時追蹤汗液雌二醇水平，其檢測結果與血清濃度高度相關，為女性健康管理提供工具。這些設備通過微流控通道設計實現自動采樣與信號增強，兼具便攜性和抗干擾能力，展現了在個性化醫療和慢性病監測中的潛力。

醫學成像技術

在醫學成像領域，納米材料作為多功能對比劑顯著提升了成像精度與多模態兼容性。例如，殼聚糖包裹的超順磁性氧化鐵納米顆粒（Ch-SPIONs）通過微流控技術合成，其高磁化強度增強了MRI的T?加權對比度，同時具備抗菌活性，適用于感染性疾病成像。高密度脂蛋白（HDL）納米生物制劑可集成放射性核素、熒光標記等負載，適配PET、MRI和CT等多模態成像，用于心血管疾病和腫瘤模型的動態追蹤。微流控技術在此類材料的合成中發揮關鍵作用，精準調控納米顆粒尺寸和表面功能化，確保批次一致性。這些創新不僅提高了病灶定位能力，還通過靶向遞送機制減少對比劑用量，為精準診斷和療效評估提供了革命性工具。

總結

這篇文章全面綜述了微流控技術與納米材料在疾病檢測與治療中的協同創新。在檢測領域，微流控技術結合納米材料，通過等離子體共振（LSPR）、表面增強拉曼光譜（SERS）和電化學傳感等技術，實現了心血管疾病、神經退行性疾病和癌癥標志物的高靈敏、快速檢測。在治療領域，利用微流控構建血管、血腦屏障及腫瘤芯片模型，驗證了納米藥物在抗氧化、溶栓、靶向穿透血腦屏障及腫瘤光熱治療中的高效性。同時，微流控技術與納米材料的結合還推動了可穿戴設備和醫學成像的革新。盡管面臨臨床轉化標準化、納米材料毒性控制及規模化生產等挑戰，結合人工智能與跨學科優化，這一技術有望成為精準醫學的核心工具。

論文鏈接：

https://doi.org/10.3390/nano15060434