微流控是在微纳米尺度空间实现微小流体操控的科学技术，由于其微型化、可集成和可操控等优点，自诞生以来广泛受到关注。本文检索了Web of Science检索平台核心数据库2006年1月1日至2021年12月31日有关微流控研究的文献数据，应用CiteSpace 5.8.R3软件进行文献计量学分析，了解国内外微流控相关研究进展，探究研究趋势。通过对50 129条文献的分析可以看出，微流控是全球共同关注的热点方向，美国在该领域具有一定的权威性，麻省理工学院和哈佛大学不仅具有较高的发文量，还具有较强的影响力和广泛的合作网络。微流控技术结合超声波、表面修饰和传感器等技术，构建纸基微流控、液滴微流控和数字微流控平台，应用于器官芯片以及体外诊断领域的即时诊断、核酸和循环肿瘤细胞分析是当前研究热点。我国是在微流控领域研究水平较高的国家之一，但高端产品的产业化有待提升，随着人民对疾病的风险预测和健康管理等需求增加，推进微流控科技创新和成果转化，对于维护人民生命健康具有重要意义。
引用本文： 魏巍, 武瑞君, 桑晓冬, 梁天宇, 李治非, 李陟, 杨阳, 苏月. 微流控技术研究的可视化分析. 生物医学工程学杂志, 2022, 39(3): 551-560. doi: 10.7507/1001-5515.202201054 复制
引言
微流控（microfluidics）是在含有微米级通道的设备中精准处理和操控微小（1×10-9 ~ 1×10-10 L）流体涉及的科学和技术，可将多种技术单元组合在几平方厘米的芯片上，亦被称为“芯片实验室”（lab on a chip）或“微全分析系统”（micro total analysis systems）。20世纪70年代至90年代，分析化学家将微纳加工技术应用于芯片色谱和芯片毛细管电泳，提出微全分析系统（miniaturized total analysis system，μTAS）的概念[1]。2006年《Nature》杂志发表了一期有关“芯片实验室”的专辑，从不同角度阐述了微流控芯片的应用前景[2-4]，开启了微流控技术高速发展的15年。不同于宏观流体，微流控微通道内流体的雷诺系数极低，呈现层流现象，流体的扩散动力学高度可控、可预测；重力作用减弱，表面张力和界面张力凸显；毛细管力凸显，允许液体逆重力运动。此外，根据应用需求，还可以通过调节微通道的形状、长宽度等性质改变流体的力学性质。因此，微流控技术可以简化复杂生物学研究，开展批量样品筛选和处理，显著减少分析样品体积，提高研究的可预测性和可控性[5]。
基于上述优势，研究人员将微流控技术应用于生命科学研究、医学诊断、环境监测和药物研究。在新型冠状病毒肺炎疫情期间，微流控技术在体外诊断设备中发挥了重要作用，并具有重要市场应用前景。Research and Markets分析报告显示，2020年全球微流控设备市场规模预计达到31亿美元，预计2020年至2027年间我国微流控设备市场年复合增长率19.2%，到2027年，市场规模将达到19亿美元[6]。
CiteSpace文献可视化分析工具利用可视化手段呈现所分析研究领域的知识结构、分布和规律趋势。通过对文献的共现和共被引分析，呈现研究合作网络和研究发展趋势，筛选研究领域的重要研究成果[7-8]。本文旨在应用文献可视化分析方法，呈现微流控技术发展趋势和研究热点，为微流控技术的研究与应用提供参考。
1 数据检索与处理
文献来源于Web of Science（Thomson Reuters，美国）的Web of Science核心集，检索条件为microfluidic（主题）或 “lab on a chip”（主题）或 “micro total analysis systems”（主题）或 “miniaturized total analysis systems”（主题），检索时间范围为2006年1月1日至2021年12月31日，对纳入的文献精炼依据为：文献类型为论文或综述论文，语种为英语。
检索获得的微流控技术相关文献记录共50 129条。以纯文本格式导出检索结果的全记录与引用的参考文献，导入CiteSpace 5.8 R3软件，时间分区设置为2006年1月1日至2021年12月31日，时间切片为2年。根据不同研究目的选择分析节点，选择国家（country）、机构（institution）、作者（author）节点，得到施引文献的合作图谱，用以分析社会关系和学术影响力；选择关键词（keyword）节点，得到关键词共现图谱，分析研究热点和演进路径；选择文献（reference）节点，得到被引文献的共引图谱，结合聚类结果，分析研究主题演变。根据模块值（modularity，Q值）和平均轮廓值（silhouettes，S值）评估绘制的聚类网络效果，其中Q值 > 0.3表示划分的结构显著，S值 > 0.5意味着聚类合理，S > 0.7表示聚类结果令人信服[8]。分析使用的中介中心性（centrality）衡量节点在结构中的重要性，突发性（burst）衡量节点在时间上的重要性。
2 数据分析
分析微流控技术领域近16年发表的文献，主要分布于分析化学、纳米科技和仪器及仪表等领域，2006年至2021年发文量呈现逐年递增趋势（见图1）。
图1
2006年至2021年微流控技术相关研究年度发文量
Figure1.
Annual number of publications on microfluidics from 2006 to 2021
2.1 国家、机构和作者可视化分析
用CiteSpace分析得到N（网络节点数量） = 24、E（连线数量） = 121的国家合作图谱（见图2），得到N = 237、E = 668的机构合作图谱（见图3）。根据可视化分析结果，美国在发文量和中介中心性方面均排名第一（见表1）；德国也具有较高的发文量和国际合作网络；相比韩国、德国和日本等国家，中国和美国在2014年后发文量较高。近年来，微流控研究在我国如雨后春笋般的开展可能与国家政策相关。2016年至2017年，我国出台相关政策推进微流控领域科技创新，国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》提出体外诊断产品要突破微流控芯片等关键技术，科技部发布《“十三五”生物技术创新专项规划》，将微流控芯片纳入到新一代生物检测技术中。
表1
微流控技术相关研究发文量及中介中心性排名前5位的 国家
Table1.
Top 5 countries in terms of number of publications and centrality on microfluidics
图2
微流控技术相关研究国家合作图谱
CiteSpace 5.8 R3软件参数设置：选择标准为TOP N = 15，节点类型为国家
Figure2. National cooperation graph on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N = 15, and the node type was country
图3
微流控技术相关研究机构合作图谱
CiteSpace 5.8 R3软件参数设置：选择标准为TOP N=10%，不超过100，图谱剪切方式采用寻径网络和对每个切片网络进行裁剪，节点类型为机构
Figure3. Collaboration graph of research institutions on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N=10%, no more than 100, pathfinder and purging the sliced networks were used to clip graph, and the node type was institution
在研究机构方面，发文量和中介中心性排名前5位的机构主要位于美国、中国和日本，中国科学院、麻省理工学院和哈佛大学发文量较高，并且具有广泛的合作网络（见表2）。综合发文量和中介中心性两项排名，哈佛大学可认为是该领域的权威机构。
表2
微流控技术相关研究发文量及中介中心性排名前5位的 机构
Table2.
Top 5 research institutions in terms of number of publi cations and centrality on microfluidics
生成的作者合作图谱（见图4，N = 477，E = 662）显示了微流控技术领域发文量较多的作者及其研究合作网络。结合图4和表3[5,9-20]，发文量排名前5位的作者中1位来自中国，3位来自美国，1位来自印度。发文量和中介中心性（0.21）排名均靠前的作者为美国哈佛大学David A. Weitz教授，是美国哈佛大学工程与应用科学学院教授，长期研究利用微流控设备精确控制流体制备单分散液滴模板，并利用液滴作为微反应器，实现少量流体高速率反应，还利用液滴制备其他方法难以合成的复杂结构颗粒，实现颗粒批量化生产，用于药物包载、化妆品技术等方面[12-13]。2015年Weitz团队[14]在《Cell》期刊发表了基于液滴微流控技术对胚胎干细胞进行单细胞RNA条码标记的文章，截至2021年12月已被引用千余次。
表3
微流控技术相关研究发文量排名前5位的作者
Table3.
Top 5 authors in terms of number of publications on microfluidics
图4
微流控技术相关研究作者合作图谱
CiteSpace 5.8 R3软件参数设置：选择标准为TOP N = 10%，不超过100，节点类型为作者
Figure4. Collaboration graph of authors on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N = 10%, no more than 100, and the node type was author
2.2 关键文献可视化分析
对文献进行共被引分析，得到N = 518、E = 577的文献共被引网络图谱（见图5），分别统计被引频次和中介中心性排名前5位的研究（见表4[2,5,21-27]），分析得到9篇关键节点文献，均为综述类文献。2006年Whitesides[21]在《Nature》发表的综述《The origins and the future of microfluidics》中介中心性最高（0.36），该文献系统阐述了微流控发展历史、当前发展情况及未来应用前景，指出微流控作为一个独特的新领域，未来极有可能影响化学合成、生物分析和信息技术。2014年Sackmann等[5]在《Nature》发表的综述《The present and future role of microfluidics in biomedical research》被引频次最高，该文总结了微流控技术在生物医学研究中的应用与发展前景，阐述了微流控技术在诊断、快速分离、器官芯片构建等方面的进展，提出微流控的商业化进程还有待开拓。
表4
微流控技术相关研究被引频次和中介中心性排名前5位的关键节点文献
Table4.
Top 5 key node references in citation frequency and centrality on microfluidics
图5
微流控技术相关研究文献共被引合作图谱
CiteSpace 5.8 R3软件参数设置：选择标准为TOP N=10%，不超过100，图谱剪切方式采用寻径网络和对每个切片网络进行裁剪，节点类型为文献
Figure5. Co-citation cooperation graph of references on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N=10%, no more than 100, pathfinder and purging the sliced networks were used to clip graph, and the node type was reference
对共现文献进行聚类分析，得到S = 0.968 2、Q = 0.870 5的文献聚类图谱（见图6），聚类结果显示，微流控技术通过构建液滴微流控、数字微流控、纸基微流控平台，主要应用于细胞培养、循环肿瘤细胞和细胞外囊泡分析。对文献进行凸显性分析（见表5[3,5,21-24,28-31]），可以判断研究热点。由文献的凸显年度可以看出，纸基微流控、数字微流控、即时诊断和器官芯片是近年来关注度较高的研究方向。
表5
微流控技术相关研究凸显性强度排名前10位的文献
Table5.
Top 10 references with the strongest citation bursts
图6
微流控技术相关研究文献共被引聚类图谱
CiteSpace 5.8 R3软件参数设置同图5
Figure6. Co-citation cluster graph of references on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter settings were the same as Fig.5
2.3 关键词可视化分析
用CiteSpace构建关键词共现图谱（N = 86，E = 219），排除chip、device、microfluidic device、system关键词，得到关键词共现图谱后进行聚类分析，采用对数自然率算法，显示前6个聚类，本次聚类S = 0.727 4，Q = 0.480 3，聚类结果较好（见图7）。分析聚类结果，微流控在液滴形成方面具有突出优势，微流控芯片技术结合超声波、表面修饰和传感器方法，主要应用于核酸和循环肿瘤细胞的分析。
图7
微流控技术相关研究关键词聚类图谱
CiteSpace 5.8 R3软件参数设置：选择标准为TOP N = 10%，不超过50，图谱剪切方式采用寻径网络和对每个切片网络进行裁剪，节点类型为关键词
Figure7. Cluster graph of keywords of publications on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N = 10%, no more than 50, pathfinder and purging the scliced networks were used to clip graph, and the node type was keywords
3 微流控技术应用领域
由于微流控流体体系惯性力、粘性阻力、界面张力和毛细力凸显的特性，以及微流控装置高度集成、精准可控等特点，近年来微流控芯片成为多学科交叉的平台，广泛应用于材料科学、生物医学研究、体外诊断和药物筛选与研发。
3.1 生物医学研究
在生物医学研究方面，微流控芯片的重要应用之一是构建器官芯片，利用微流控技术灵活的结构设计性和可控的微流体操控性等优势，在微流控芯片上构建模拟人体组织或器官功能的仿生实验室。基于微流控技术的器官芯片使生物模拟达到了全新的水平，给投入大、风险高、周期长的新药研发以及生物医学研究带来了新的契机，其中单器官芯片主要应用于器官的生理和病理研究，多器官芯片主要应用于药物代谢动力学研究[32]。
2015年哈佛大学Wyss生物工程研究所组建了Emulate人体器官芯片研究公司，推出了由器官芯片、仪器和软件组成的人体仿真系统，覆盖了脑、结肠、肝、肺、肾等多种器官，并积极与美国食品药品监督管理局合作评估和鉴定器官芯片技术作为临床前测试平台的可能性，拓宽药物研发临床前模型范围[33]。该研究所Ingber团队[34]构建了由高度分化的人支气管气道上皮细胞和肺内皮细胞组成的微流控支气管气道芯片，能够模拟病毒感染、菌株依赖性毒性，以及细胞因子的产生和循环免疫细胞的招募，应用于新型冠状病毒治疗药物的快速鉴别和筛选。
Qin团队[35]利用人类诱导多能干细胞构建类脑器官芯片，模拟产前尼古丁暴露下胎儿大脑神经发育情况。三维（three-dimensional，3D）培养的类脑器官表现出人类大脑发育早期阶段的关键特征，包括神经分化、区域化和皮层组织，并可推广应用于脑疾病研究和药物检测。针对器官芯片，如何实现组织或器官长期培养并保留病理或生理功能，构建血管循环系统以实现高度仿真模拟，以及集成阵列化多个实验单元模拟组织-组织和多器官相互作用，仍是器官芯片发展面临的挑战[36]。
3.2 体外诊断
3.2.1 即时诊断
即时诊断（point-of-care testing，POCT）设备与试剂具有便携化、简单化、结果及时化的特点，能够实现患者护理现场或床旁检测，对于传染性疾病的快速诊断、户外现场诊断和家庭健康监测具有重要意义。微流控芯片凭借在微小可控的平台对多种技术单元进行灵活组合与规模集成的优势，成为即时诊断的主流技术。基于微流控技术成功商业化的典型产品包括Abaxis公司的Piccolo生化芯片检测系统、雅培公司的i-STAT血气分析仪和Cepheid公司的GeneXpert系列PCR分析仪。近年来，国内基于微流控免疫荧光法和磁微粒化学发光法等即时诊断产品相继获批上市。在便携和快捷基础上，基于微流控芯片的即时诊断主要研究焦点为发展特异性好与灵敏度高的快速检测技术。在核酸检测方面，环介导恒温扩增技术（loop-mediated isothermal amplification，LAMP）因其高灵敏度和无需梯度变温的特点，仍是目前研究的热点之一。Sun等[37]将基于微流控芯片环介导等温扩增技术的核酸检测系统与智能手机集成，使用马呼吸道传染病模型模拟COVID-9感染者，研究表明，该系统检测含有病原体的马鼻拭子的检测限与常规聚合酶链式反应相似，结果可在30 min内获得。
纸基微流控使用纸张作为基底，具有成本低、加工简易、携带和使用快速便捷的特点，主要应用于快速诊断和环境监测，然而纸基微流控集成度低、技术参差不齐，近年来的研究焦点在于提高纸芯片的检测精度与速度，并与智能化系统相结合。Chen等[38]设计了折叠、可滑动的三维表面修饰纸基分析设备，能够实现多种试剂预储存，该芯片对人免疫球蛋白G（HIgG）的检出限可低至0.01 ng/mL，检测时间缩短至7 min。Li等[39]在纸基微流控设备上，利用氧化锌纳米线直接生长在工作电极的方法提高基于电化学阻抗谱的生物传感器性能，经过优化，芯片针对人类免疫缺陷病毒p24抗原的检测限低至0.4 pg/mL。
3.2.2 核酸分析
在核酸分析方面，微流控芯片技术主要应用于实时荧光定量聚合酶链式反应（real-time polymerase chain reaction，RT-PCR）、数字PCR（digital PCR，dPCR）和单分子测序。其中，数字PCR[40]是基于单分子PCR方法的核酸分子绝对定量技术，可将核酸模板分散到大量的反应单元，每个单元不包含或者包含一个至数个拷贝DNA模板，扩增结束后对每个反应单元的阳性荧光信号进行统计学分析。DNA模板在反应单元的随机和独立分布是数字PCR实现高灵敏度和高精准度分析的关键因素，基于微流控阵列反应室或液滴技术的数字PCR能够快速、准确地将稀释后的核酸溶液分散到芯片的微反应器或液滴中，应用于复杂样本的分析、拷贝数变异（copy number variation，CNV）分析。Bio-MarkTM超高通量基因分析系统（Fluidigm公司）和QuantStudioTM 3D数字PCR系统（Life Technologies公司）均是基于微流控芯片技术。其中QuantStudioTM 3D数字PCR系统具有20 000个反应孔，工作流程简化，可用于稀有突变检测、两个靶点间的低倍数差异分析或样本中精确的靶点计数。
3.2.3 液体活检
在液体活检方面，微流控技术广泛应用于循环肿瘤细胞、外泌体的分离与纯化和循环核酸的分析[41]，相比传统方法，可以实现自动化操作，具有令人满意的灵敏度和回收率。近年来外泌体的微流控检测技术是基础研究的热点[42]，循环肿瘤细胞由于能够更全面、更系统地反映肿瘤病灶物质信息变化，尤为受到关注。循环肿瘤细胞分析技术主要包括无标签技术和免疫亲和技术，其中无标签技术基于大小、密度和介电性能等物理性质分离目标细胞，免疫亲和技术则主要基于细胞表面特异性表达的蛋白标志物实现分离，如常用的免疫磁珠法利用癌细胞和磁珠上的共轭偶联抗体相互作用，实现富集目标细胞[43]。相比物理原理，基于免疫亲和的分离方法的回收率和纯化度均较高。2018年CellRichTM免疫磁微粒捕获仪获批医疗器械二类注册证上市，该设备采用微流控芯片技术及梯度磁场对免疫磁微粒复合物（细胞）进行特异性吸附，实现循环肿瘤细胞富集和染色鉴定。
近年来，由于上皮细胞-间充质转化和外周血细胞的干扰，科学家不断探索在少量和低丰度循环肿瘤细胞的体液中实现识别、高效捕获并进行后续分析的方法。基于微流控技术的高效富集和单细胞分析检测技术的集成应用被认为是未来循环肿瘤细胞分析的趋势[44]。2017年Genomics公司推出基于微流控技术的10x Genomics Chromium单细胞捕获系统，该产品通过微流控技术实现单细胞的分离，通过条形码技术区分不同的细胞以及同一细胞中同一基因的不同转录本。2021年该公司又推出了高通量Chromium X系列，一次运行可分析数百到数十万细胞，实现多样本的同时检测。
3.3 药物筛选与递送
在药物研发领域，微流控芯片技术主要应用于药物高通量筛选、药物制剂的优化与制备[45]、毒性研究等，基于微流控构建的肿瘤模型和组织工程还可进行药物代谢分析等研究[46]。在药物制剂领域，微流控主要用于载药微乳制剂和纳米脂质体的制备，Miao等[47]利用微流控芯片构建三维多组分反应体系，制备并筛选了1 000多种脂质类材料用以递送mRNA癌症疫苗，研究表明具有不饱和尾联、一个双氢咪唑连接键和一个环胺头部的脂类材料载mRNA具有最好的免疫抗肿瘤效果。在纳米制剂结构与生物学效应研究方面，微流控独特的流体技术，为制备结构可控、粒径均一的纳米载药制剂提供了新的策略。
4 展望
2001年《Lab on a Chip》杂志创刊，成为引领微流控领域开展深入研究的主流杂志。近年来，微流控领域研究活跃，微流控技术在体外诊断、食品安全、生物医学研究和药物研发等方面发挥了重要作用。未来，简化样品制备程序，提升操作系统的自动化程度，以及满足专业人员和非技术人员均可操作的需求是微流控设备研发的趋势[48]。微流控涉及医学、化学、物理学和电子学等多学科交叉，对研发人员综合能力要求较高。我国是在微流控领域研究水平较高的国家之一，但在高端产品的产业化方面仍落后于欧美等国家，高精密芯片加工仍存在成本高、加工难的问题。为推动微流控高端产品产业化，需要加强以下几个方面的布署：一是注重交叉学科人才培养；二是解决芯片质控问题，包括芯片的微加工、键合以及表面修饰等工艺；三是把握未来趋势，提前着力深化微流控芯片产品与人工智能和互联网的进一步融合，构筑特色长板；四是深化开放合作，推动研发设计等多领域合作，鼓励行业龙头企业整合国内外优质资源，布局全球发展，依托“一带一路”建设，推动产品走出去。
重要声明
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
作者贡献声明：魏巍为综述主要撰写人，完成论文构思和文献资料分析以及论文初稿的撰写；武瑞君参与论文构思和论文修改；桑晓冬、梁天宇、李治非、李陟、杨阳参与数据收集和论文修改；苏月参与论文构思、修改和审校。
引言
微流控（microfluidics）是在含有微米级通道的设备中精准处理和操控微小（1×10-9 ~ 1×10-10 L）流体涉及的科学和技术，可将多种技术单元组合在几平方厘米的芯片上，亦被称为“芯片实验室”（lab on a chip）或“微全分析系统”（micro total analysis systems）。20世纪70年代至90年代，分析化学家将微纳加工技术应用于芯片色谱和芯片毛细管电泳，提出微全分析系统（miniaturized total analysis system，μTAS）的概念[1]。2006年《Nature》杂志发表了一期有关“芯片实验室”的专辑，从不同角度阐述了微流控芯片的应用前景[2-4]，开启了微流控技术高速发展的15年。不同于宏观流体，微流控微通道内流体的雷诺系数极低，呈现层流现象，流体的扩散动力学高度可控、可预测；重力作用减弱，表面张力和界面张力凸显；毛细管力凸显，允许液体逆重力运动。此外，根据应用需求，还可以通过调节微通道的形状、长宽度等性质改变流体的力学性质。因此，微流控技术可以简化复杂生物学研究，开展批量样品筛选和处理，显著减少分析样品体积，提高研究的可预测性和可控性[5]。
基于上述优势，研究人员将微流控技术应用于生命科学研究、医学诊断、环境监测和药物研究。在新型冠状病毒肺炎疫情期间，微流控技术在体外诊断设备中发挥了重要作用，并具有重要市场应用前景。Research and Markets分析报告显示，2020年全球微流控设备市场规模预计达到31亿美元，预计2020年至2027年间我国微流控设备市场年复合增长率19.2%，到2027年，市场规模将达到19亿美元[6]。
CiteSpace文献可视化分析工具利用可视化手段呈现所分析研究领域的知识结构、分布和规律趋势。通过对文献的共现和共被引分析，呈现研究合作网络和研究发展趋势，筛选研究领域的重要研究成果[7-8]。本文旨在应用文献可视化分析方法，呈现微流控技术发展趋势和研究热点，为微流控技术的研究与应用提供参考。
1 数据检索与处理
文献来源于Web of Science（Thomson Reuters，美国）的Web of Science核心集，检索条件为microfluidic（主题）或 “lab on a chip”（主题）或 “micro total analysis systems”（主题）或 “miniaturized total analysis systems”（主题），检索时间范围为2006年1月1日至2021年12月31日，对纳入的文献精炼依据为：文献类型为论文或综述论文，语种为英语。
检索获得的微流控技术相关文献记录共50 129条。以纯文本格式导出检索结果的全记录与引用的参考文献，导入CiteSpace 5.8 R3软件，时间分区设置为2006年1月1日至2021年12月31日，时间切片为2年。根据不同研究目的选择分析节点，选择国家（country）、机构（institution）、作者（author）节点，得到施引文献的合作图谱，用以分析社会关系和学术影响力；选择关键词（keyword）节点，得到关键词共现图谱，分析研究热点和演进路径；选择文献（reference）节点，得到被引文献的共引图谱，结合聚类结果，分析研究主题演变。根据模块值（modularity，Q值）和平均轮廓值（silhouettes，S值）评估绘制的聚类网络效果，其中Q值 > 0.3表示划分的结构显著，S值 > 0.5意味着聚类合理，S > 0.7表示聚类结果令人信服[8]。分析使用的中介中心性（centrality）衡量节点在结构中的重要性，突发性（burst）衡量节点在时间上的重要性。
2 数据分析
分析微流控技术领域近16年发表的文献，主要分布于分析化学、纳米科技和仪器及仪表等领域，2006年至2021年发文量呈现逐年递增趋势（见图1）。
图1
2006年至2021年微流控技术相关研究年度发文量
Figure1.
Annual number of publications on microfluidics from 2006 to 2021
2.1 国家、机构和作者可视化分析
用CiteSpace分析得到N（网络节点数量） = 24、E（连线数量） = 121的国家合作图谱（见图2），得到N = 237、E = 668的机构合作图谱（见图3）。根据可视化分析结果，美国在发文量和中介中心性方面均排名第一（见表1）；德国也具有较高的发文量和国际合作网络；相比韩国、德国和日本等国家，中国和美国在2014年后发文量较高。近年来，微流控研究在我国如雨后春笋般的开展可能与国家政策相关。2016年至2017年，我国出台相关政策推进微流控领域科技创新，国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》提出体外诊断产品要突破微流控芯片等关键技术，科技部发布《“十三五”生物技术创新专项规划》，将微流控芯片纳入到新一代生物检测技术中。
表1
微流控技术相关研究发文量及中介中心性排名前5位的 国家
Table1.
Top 5 countries in terms of number of publications and centrality on microfluidics
图2
微流控技术相关研究国家合作图谱
CiteSpace 5.8 R3软件参数设置：选择标准为TOP N = 15，节点类型为国家
Figure2. National cooperation graph on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N = 15, and the node type was country
图3
微流控技术相关研究机构合作图谱
CiteSpace 5.8 R3软件参数设置：选择标准为TOP N=10%，不超过100，图谱剪切方式采用寻径网络和对每个切片网络进行裁剪，节点类型为机构
Figure3. Collaboration graph of research institutions on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N=10%, no more than 100, pathfinder and purging the sliced networks were used to clip graph, and the node type was institution
在研究机构方面，发文量和中介中心性排名前5位的机构主要位于美国、中国和日本，中国科学院、麻省理工学院和哈佛大学发文量较高，并且具有广泛的合作网络（见表2）。综合发文量和中介中心性两项排名，哈佛大学可认为是该领域的权威机构。
表2
微流控技术相关研究发文量及中介中心性排名前5位的 机构
Table2.
Top 5 research institutions in terms of number of publi cations and centrality on microfluidics
生成的作者合作图谱（见图4，N = 477，E = 662）显示了微流控技术领域发文量较多的作者及其研究合作网络。结合图4和表3[5,9-20]，发文量排名前5位的作者中1位来自中国，3位来自美国，1位来自印度。发文量和中介中心性（0.21）排名均靠前的作者为美国哈佛大学David A. Weitz教授，是美国哈佛大学工程与应用科学学院教授，长期研究利用微流控设备精确控制流体制备单分散液滴模板，并利用液滴作为微反应器，实现少量流体高速率反应，还利用液滴制备其他方法难以合成的复杂结构颗粒，实现颗粒批量化生产，用于药物包载、化妆品技术等方面[12-13]。2015年Weitz团队[14]在《Cell》期刊发表了基于液滴微流控技术对胚胎干细胞进行单细胞RNA条码标记的文章，截至2021年12月已被引用千余次。
表3
微流控技术相关研究发文量排名前5位的作者
Table3.
Top 5 authors in terms of number of publications on microfluidics
图4
微流控技术相关研究作者合作图谱
CiteSpace 5.8 R3软件参数设置：选择标准为TOP N = 10%，不超过100，节点类型为作者
Figure4. Collaboration graph of authors on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N = 10%, no more than 100, and the node type was author
2.2 关键文献可视化分析
对文献进行共被引分析，得到N = 518、E = 577的文献共被引网络图谱（见图5），分别统计被引频次和中介中心性排名前5位的研究（见表4[2,5,21-27]），分析得到9篇关键节点文献，均为综述类文献。2006年Whitesides[21]在《Nature》发表的综述《The origins and the future of microfluidics》中介中心性最高（0.36），该文献系统阐述了微流控发展历史、当前发展情况及未来应用前景，指出微流控作为一个独特的新领域，未来极有可能影响化学合成、生物分析和信息技术。2014年Sackmann等[5]在《Nature》发表的综述《The present and future role of microfluidics in biomedical research》被引频次最高，该文总结了微流控技术在生物医学研究中的应用与发展前景，阐述了微流控技术在诊断、快速分离、器官芯片构建等方面的进展，提出微流控的商业化进程还有待开拓。
表4
微流控技术相关研究被引频次和中介中心性排名前5位的关键节点文献
Table4.
Top 5 key node references in citation frequency and centrality on microfluidics
图5
微流控技术相关研究文献共被引合作图谱
CiteSpace 5.8 R3软件参数设置：选择标准为TOP N=10%，不超过100，图谱剪切方式采用寻径网络和对每个切片网络进行裁剪，节点类型为文献
Figure5. Co-citation cooperation graph of references on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N=10%, no more than 100, pathfinder and purging the sliced networks were used to clip graph, and the node type was reference
对共现文献进行聚类分析，得到S = 0.968 2、Q = 0.870 5的文献聚类图谱（见图6），聚类结果显示，微流控技术通过构建液滴微流控、数字微流控、纸基微流控平台，主要应用于细胞培养、循环肿瘤细胞和细胞外囊泡分析。对文献进行凸显性分析（见表5[3,5,21-24,28-31]），可以判断研究热点。由文献的凸显年度可以看出，纸基微流控、数字微流控、即时诊断和器官芯片是近年来关注度较高的研究方向。
表5
微流控技术相关研究凸显性强度排名前10位的文献
Table5.
Top 10 references with the strongest citation bursts
图6
微流控技术相关研究文献共被引聚类图谱
CiteSpace 5.8 R3软件参数设置同图5
Figure6. Co-citation cluster graph of references on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter settings were the same as Fig.5
2.3 关键词可视化分析
用CiteSpace构建关键词共现图谱（N = 86，E = 219），排除chip、device、microfluidic device、system关键词，得到关键词共现图谱后进行聚类分析，采用对数自然率算法，显示前6个聚类，本次聚类S = 0.727 4，Q = 0.480 3，聚类结果较好（见图7）。分析聚类结果，微流控在液滴形成方面具有突出优势，微流控芯片技术结合超声波、表面修饰和传感器方法，主要应用于核酸和循环肿瘤细胞的分析。
图7
微流控技术相关研究关键词聚类图谱
CiteSpace 5.8 R3软件参数设置：选择标准为TOP N = 10%，不超过50，图谱剪切方式采用寻径网络和对每个切片网络进行裁剪，节点类型为关键词
Figure7. Cluster graph of keywords of publications on microfluidicsCiteSpace 5.8 R3 software parameter setting: the selection standard was TOP N = 10%, no more than 50, pathfinder and purging the scliced networks were used to clip graph, and the node type was keywords
3 微流控技术应用领域
由于微流控流体体系惯性力、粘性阻力、界面张力和毛细力凸显的特性，以及微流控装置高度集成、精准可控等特点，近年来微流控芯片成为多学科交叉的平台，广泛应用于材料科学、生物医学研究、体外诊断和药物筛选与研发。
3.1 生物医学研究
在生物医学研究方面，微流控芯片的重要应用之一是构建器官芯片，利用微流控技术灵活的结构设计性和可控的微流体操控性等优势，在微流控芯片上构建模拟人体组织或器官功能的仿生实验室。基于微流控技术的器官芯片使生物模拟达到了全新的水平，给投入大、风险高、周期长的新药研发以及生物医学研究带来了新的契机，其中单器官芯片主要应用于器官的生理和病理研究，多器官芯片主要应用于药物代谢动力学研究[32]。
2015年哈佛大学Wyss生物工程研究所组建了Emulate人体器官芯片研究公司，推出了由器官芯片、仪器和软件组成的人体仿真系统，覆盖了脑、结肠、肝、肺、肾等多种器官，并积极与美国食品药品监督管理局合作评估和鉴定器官芯片技术作为临床前测试平台的可能性，拓宽药物研发临床前模型范围[33]。该研究所Ingber团队[34]构建了由高度分化的人支气管气道上皮细胞和肺内皮细胞组成的微流控支气管气道芯片，能够模拟病毒感染、菌株依赖性毒性，以及细胞因子的产生和循环免疫细胞的招募，应用于新型冠状病毒治疗药物的快速鉴别和筛选。
Qin团队[35]利用人类诱导多能干细胞构建类脑器官芯片，模拟产前尼古丁暴露下胎儿大脑神经发育情况。三维（three-dimensional，3D）培养的类脑器官表现出人类大脑发育早期阶段的关键特征，包括神经分化、区域化和皮层组织，并可推广应用于脑疾病研究和药物检测。针对器官芯片，如何实现组织或器官长期培养并保留病理或生理功能，构建血管循环系统以实现高度仿真模拟，以及集成阵列化多个实验单元模拟组织-组织和多器官相互作用，仍是器官芯片发展面临的挑战[36]。
3.2 体外诊断
3.2.1 即时诊断
即时诊断（point-of-care testing，POCT）设备与试剂具有便携化、简单化、结果及时化的特点，能够实现患者护理现场或床旁检测，对于传染性疾病的快速诊断、户外现场诊断和家庭健康监测具有重要意义。微流控芯片凭借在微小可控的平台对多种技术单元进行灵活组合与规模集成的优势，成为即时诊断的主流技术。基于微流控技术成功商业化的典型产品包括Abaxis公司的Piccolo生化芯片检测系统、雅培公司的i-STAT血气分析仪和Cepheid公司的GeneXpert系列PCR分析仪。近年来，国内基于微流控免疫荧光法和磁微粒化学发光法等即时诊断产品相继获批上市。在便携和快捷基础上，基于微流控芯片的即时诊断主要研究焦点为发展特异性好与灵敏度高的快速检测技术。在核酸检测方面，环介导恒温扩增技术（loop-mediated isothermal amplification，LAMP）因其高灵敏度和无需梯度变温的特点，仍是目前研究的热点之一。Sun等[37]将基于微流控芯片环介导等温扩增技术的核酸检测系统与智能手机集成，使用马呼吸道传染病模型模拟COVID-9感染者，研究表明，该系统检测含有病原体的马鼻拭子的检测限与常规聚合酶链式反应相似，结果可在30 min内获得。
纸基微流控使用纸张作为基底，具有成本低、加工简易、携带和使用快速便捷的特点，主要应用于快速诊断和环境监测，然而纸基微流控集成度低、技术参差不齐，近年来的研究焦点在于提高纸芯片的检测精度与速度，并与智能化系统相结合。Chen等[38]设计了折叠、可滑动的三维表面修饰纸基分析设备，能够实现多种试剂预储存，该芯片对人免疫球蛋白G（HIgG）的检出限可低至0.01 ng/mL，检测时间缩短至7 min。Li等[39]在纸基微流控设备上，利用氧化锌纳米线直接生长在工作电极的方法提高基于电化学阻抗谱的生物传感器性能，经过优化，芯片针对人类免疫缺陷病毒p24抗原的检测限低至0.4 pg/mL。
3.2.2 核酸分析
在核酸分析方面，微流控芯片技术主要应用于实时荧光定量聚合酶链式反应（real-time polymerase chain reaction，RT-PCR）、数字PCR（digital PCR，dPCR）和单分子测序。其中，数字PCR[40]是基于单分子PCR方法的核酸分子绝对定量技术，可将核酸模板分散到大量的反应单元，每个单元不包含或者包含一个至数个拷贝DNA模板，扩增结束后对每个反应单元的阳性荧光信号进行统计学分析。DNA模板在反应单元的随机和独立分布是数字PCR实现高灵敏度和高精准度分析的关键因素，基于微流控阵列反应室或液滴技术的数字PCR能够快速、准确地将稀释后的核酸溶液分散到芯片的微反应器或液滴中，应用于复杂样本的分析、拷贝数变异（copy number variation，CNV）分析。Bio-MarkTM超高通量基因分析系统（Fluidigm公司）和QuantStudioTM 3D数字PCR系统（Life Technologies公司）均是基于微流控芯片技术。其中QuantStudioTM 3D数字PCR系统具有20 000个反应孔，工作流程简化，可用于稀有突变检测、两个靶点间的低倍数差异分析或样本中精确的靶点计数。
3.2.3 液体活检
在液体活检方面，微流控技术广泛应用于循环肿瘤细胞、外泌体的分离与纯化和循环核酸的分析[41]，相比传统方法，可以实现自动化操作，具有令人满意的灵敏度和回收率。近年来外泌体的微流控检测技术是基础研究的热点[42]，循环肿瘤细胞由于能够更全面、更系统地反映肿瘤病灶物质信息变化，尤为受到关注。循环肿瘤细胞分析技术主要包括无标签技术和免疫亲和技术，其中无标签技术基于大小、密度和介电性能等物理性质分离目标细胞，免疫亲和技术则主要基于细胞表面特异性表达的蛋白标志物实现分离，如常用的免疫磁珠法利用癌细胞和磁珠上的共轭偶联抗体相互作用，实现富集目标细胞[43]。相比物理原理，基于免疫亲和的分离方法的回收率和纯化度均较高。2018年CellRichTM免疫磁微粒捕获仪获批医疗器械二类注册证上市，该设备采用微流控芯片技术及梯度磁场对免疫磁微粒复合物（细胞）进行特异性吸附，实现循环肿瘤细胞富集和染色鉴定。
近年来，由于上皮细胞-间充质转化和外周血细胞的干扰，科学家不断探索在少量和低丰度循环肿瘤细胞的体液中实现识别、高效捕获并进行后续分析的方法。基于微流控技术的高效富集和单细胞分析检测技术的集成应用被认为是未来循环肿瘤细胞分析的趋势[44]。2017年Genomics公司推出基于微流控技术的10x Genomics Chromium单细胞捕获系统，该产品通过微流控技术实现单细胞的分离，通过条形码技术区分不同的细胞以及同一细胞中同一基因的不同转录本。2021年该公司又推出了高通量Chromium X系列，一次运行可分析数百到数十万细胞，实现多样本的同时检测。
3.3 药物筛选与递送
在药物研发领域，微流控芯片技术主要应用于药物高通量筛选、药物制剂的优化与制备[45]、毒性研究等，基于微流控构建的肿瘤模型和组织工程还可进行药物代谢分析等研究[46]。在药物制剂领域，微流控主要用于载药微乳制剂和纳米脂质体的制备，Miao等[47]利用微流控芯片构建三维多组分反应体系，制备并筛选了1 000多种脂质类材料用以递送mRNA癌症疫苗，研究表明具有不饱和尾联、一个双氢咪唑连接键和一个环胺头部的脂类材料载mRNA具有最好的免疫抗肿瘤效果。在纳米制剂结构与生物学效应研究方面，微流控独特的流体技术，为制备结构可控、粒径均一的纳米载药制剂提供了新的策略。
4 展望
2001年《Lab on a Chip》杂志创刊，成为引领微流控领域开展深入研究的主流杂志。近年来，微流控领域研究活跃，微流控技术在体外诊断、食品安全、生物医学研究和药物研发等方面发挥了重要作用。未来，简化样品制备程序，提升操作系统的自动化程度，以及满足专业人员和非技术人员均可操作的需求是微流控设备研发的趋势[48]。微流控涉及医学、化学、物理学和电子学等多学科交叉，对研发人员综合能力要求较高。我国是在微流控领域研究水平较高的国家之一，但在高端产品的产业化方面仍落后于欧美等国家，高精密芯片加工仍存在成本高、加工难的问题。为推动微流控高端产品产业化，需要加强以下几个方面的布署：一是注重交叉学科人才培养；二是解决芯片质控问题，包括芯片的微加工、键合以及表面修饰等工艺；三是把握未来趋势，提前着力深化微流控芯片产品与人工智能和互联网的进一步融合，构筑特色长板；四是深化开放合作，推动研发设计等多领域合作，鼓励行业龙头企业整合国内外优质资源，布局全球发展，依托“一带一路”建设，推动产品走出去。
重要声明
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
作者贡献声明：魏巍为综述主要撰写人，完成论文构思和文献资料分析以及论文初稿的撰写；武瑞君参与论文构思和论文修改；桑晓冬、梁天宇、李治非、李陟、杨阳参与数据收集和论文修改；苏月参与论文构思、修改和审校。
