——记香港城市大学副教授、博士生导师陈家宏

郑 心  户 万　　

　　始于创新，成于实干。如今，微流控芯片已被中国科技部定位为一种“颠覆性技术”，不仅在化学分析、生物医学分析、食品检验等领域发光发热，还可以作为微反应器、纳米粒子、微球等合成，抑或是作为器官芯片，用于仿真人体器官中的功能单元。可以说，它已经成为整个体外诊断和生物医药领域必备的底层基础，是生命科学的“新基建”。

　　如同蒸汽机的发明引发工业革命，使18世纪乃至近代欧洲的科技发展迈入快车道，35年前，安德烈亚斯·曼兹（Andreas Manz）教授首次在芯片上实现电泳分离，并提出微型全分析系统（μTAS）的概念，掀起了微流控芯片技术的研究热潮，开启了现代生物医学工程的技术革命。35年后，以香港城市大学副教授、博士生导师陈家宏为代表的新一代青年科学家传承科技、弦歌不辍，在整合性微流控器械的研究领域中勇攀高峰。如今，他已带领研究团队开展了一系列软物质系统与高通量装置应用研究，在《自然·通讯》（Nature Communications）等学术期刊上发表学术论文超过百篇，至今指导了超过40名博士生与博士后研究员。

　　除钻研微流控芯片研发理论之外，产品与业界连接的紧密程度是科研工作的“另一座大山”。庆幸的是，一直以来，陈家宏都持续号召团队重视“学以致用”的力量，强调技术开发的原创性，微流控工程的优越性。将微流控技术应用于生物医学，他们以创新性的方法分析人类疾病中与细胞异质性的相关问题。“我们的最终目标是开发先进工具，以优化癌症、传染病及复杂疾病的诊断和治疗策略，助力实现精准医疗。”陈家宏表示。

走进微流控

　　从郑成功舰队登陆的料罗湾到平潭跨海大桥，中国台湾岛一直见证着中华文明的蓬勃发展。半导体产业占全球65%份额的背后，彰示着两岸产业链如今正在催生新型竞争力，文化的血脉与经济的纽带在68海里间交织成时代的科技浪潮。作为中国与国际交流的重要部分，中国台湾历来是东西文化水乳交融之地，也是传统与现代的融合之城，但在一众以“新”为主旨的学科当中，30余年前的陈家宏却在联考志愿表上写下了自然科学中最为古老的学科之一——物理。

　　“物理是一门基础科学，在台湾一直深受欢迎，因为自然界各种现象都是基本理论的体现，可以通过简洁的定理，化繁为简找到其根源。”陈家宏如此解释自己科研之路的起点。如他所言，物理的核心在于究物之理，像哲学一样有着基本三问：复杂现象的根源是什么？以何种规律在持续运行着？能否推测其未来的发展？

　　本科4年，如同大多数怀揣好奇心的年轻人一样，为探索这3个问题，陈家宏奋学笃行，从未缺勤以扩展自己认知的疆域。终于，在初步学深悟透之后，他品出了物理的“甘甜味”，但与最初的设想不同，他逐渐将目光锁定在了“应用物理”领域。“理论是灰色的，而生活之树常青。因此理论一旦对接了实践，就有了生命。”这是他4年的收获，也至此开始变成了职业生涯的座右铭。

　　众所周知，台湾的电子产业自20世纪80年代以来持续蓬勃发展，而微流控技术也随之拔节成长——通过产生、操控和处理亚微升级别的液滴，以一种高效且快速的方式逐步革新化学和生物科学的实验方式。“在微流体环境中，流体流动与界面张力的相互作用使得连续流体流动能够转化为分散在不相溶载体流体中的液滴流。这种系统已经在许多领域内彻底改变了实验的范式，可以对微少量的生物检体做大规模探索，因此成为探索生物现象与疾病根源不可或缺的工具。”这是陈家宏对微流控技术的初步感知，不过当时他已经身在美国哈佛大学的实验室中了。

　　硕士阶段，陈家宏参与了哈佛大学 戴维·韦茨（David Weitz）团队初创的液滴微流控开发项目，自此奠定了他与微流控技术紧密相连的研究方向。微液滴的生成模型主要有3种，即横流（Cross-flow）、流动聚焦（Flow-focusing）和共轭聚焦（Co-flow），每种模型都有其独特的应用场景和优势。若要在液滴微流控系统中实施可靠的实验方案，必须克服液滴分散中的稳定性和生物相容性方面的挑战。“许多目前习以为常的法则，当时的科学家们都并不是很清楚，这需要借助大量有系统的实验整理出来。现在想想我非常幸运，能够与众多同伴和前辈一同经历、见证这项科技的探索与成长时期。”陈家宏说。

　　科研有顺逆，发展不可避免会遇到挑战，比如在液滴微流控的研究过程中，稳定性就是一个非平衡过程，系统最终会趋向于能量最小的状态。因此，在优化配方时，需要考虑4个基本方面，即微管道的界面（产生液滴的基础）、液滴的机械稳定性（防止液滴相互融合）、区域负载的化学稳定性（允许生物化学反应）及与微流控系统操作条件的兼容性（包括设备材料和流体的流变特性）。最终，对于上述几方面认知的增长都体现在2008年发表于行业知名学术期刊《先进材料》的一篇学术论文中。文章中，陈家宏以微流控技术第一次制作出具有可编程内在结构的磁性胶体粒子，并且对于磁性流体形成液滴与液体搅拌进行了详尽描述，这既是液滴微流体技术优势的一次有力展现，也是陈家宏在科研生涯中为自己树立的一次自信。就着蓬勃昂扬的发展态势，陈家宏在博士期间走入了另一所国际顶尖学府——剑桥大学。

　　博士期间，陈家宏在软物质领域权威、俄罗斯裔科学家尤金·特伦特耶夫（Eugene Terentjev）教授的指导下，意外开启了对巧克力复杂流体物理性质的研究。“那时候实验室获玛氏集团（MARS）资助，目的是解决高品质巧克力容易改变口感的问题，这和其中的脂质分子有密切的关联性。我有一段时间集中研究巧克力中脂肪流体的特性，探索要如何使用液滴微流控技术，克服目前食品工业中的一些经典难题，例如保持分子结构、溶解温度、质感口感、营养成分等，积极推动剑桥大学与哈佛大学在液滴微流控技术上的双边合作计划。这是一段很有趣的科研历程，不仅是因为研究对象有些特别，更重要的是，它与实际生活结合得更为紧密，这让我明白，普遍真理只有同具体实际相结合，才有可能转化为福泽民众的庞大力量。”为了更好地践行这一真理，陈家宏带着坚定的决心和挑战的信心，在博士毕业后，扎根麻省理工学院展开了一系列微流控应用于生物医学领域的相关探索工作。

驱动精准医疗

　　在麻省理工学院从事博士后研究期间，陈家宏充分发挥微小液滴在高通量与高度可控性方面的优势，开发出一套集成化微流控平台，实现高精度、多靶点的疾病生物标志物筛查，并成功识别出与肺癌和子宫内膜增生相关的特定代谢酶（如蛋白酶），为疾病的早期诊断提供了关键依据。

　　此后，陈家宏受聘为新加坡国立大学助理教授，继续拓展微流控技术在仿生细胞构建与单细胞功能研究中的应用。聚焦开发具备“智能产药”功能的类细胞系统，他建立起高通量分析平台，用于解析单细胞行为与功能异质性，而后主持多项国家级科研项目，包括新加坡国家研究基金会（NRF）、教育部MOE AcRF Tier-2计划、卫生部NMRC OFIRG项目，以及新加坡-麻省理工联合研究项目（SMART），且在《自然·通讯》（Nature Communications）《科学·进展》（Science Advances）《美国化学学会会刊》（Journal of the American Chemical Society）《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）等国际学术期刊发表论文逾60篇，并于2017年获选为英国皇家化学学会期刊《芯片实验室》（Lab on a Chip）的“杰出青年科学家（Emerging Investigator）”。

　　完成新加坡的科研阶段后，陈家宏回到香港，继续深耕生物医学工程，致力于推动微流控技术在精准医疗中的跨学科创新转化。“其实我一直很关注香港学术的发展。”他说。香港作为中西文化的交汇之地，借助国家发展的大势，正在快速崛起为全球科研的重要前沿。然而，他的回归恰逢新冠感染疫情来袭，公共卫生限制使实验室建设与团队组建推迟近两年。“这段时间虽然充满挑战，却也让我有机会重新思考研究方向。”疫情趋缓后，陈家宏全面聚焦于微流控技术在仿生细胞工程与单细胞功能分析中的新型应用。“我们通过将细胞封装于液滴中，并借助新型生物探针识别其表型，实现单细胞的高通量分析。这些细胞可以在芯片内原位孵育并进行分析，或在芯片外培养后再重新注入进行功能测定。”他解释道，“液滴微流控技术不仅能实现超高通量筛选，还能承载庞大的基因突变与重组文库，是推动医学工程向前发展的强大工具。”

　　目前，陈家宏正致力于开发新一代智能细胞液滴分选技术——表面锚定免疫吸附测定（Living Surface-Anchored Immunosorbent Assay，LISA），目的是将其用于从复杂细胞群体中高效筛选稀有且具关键功能的单细胞。此平台结合液滴微流控与基因分析技术，能够精准识别稳定的生物标志物，并具备三大核心应用方向：癌症研究，筛选具有内在抗药性或转移潜力的关键癌细胞；免疫治疗，分选高活性、强杀伤能力的免疫细胞，用于个性化疗法；生物制造，筛选高产特异分子或代谢物的微生物，用于加速新药开发。“对单个细胞分泌物（如细胞因子、趋化因子等）的精准检测，有助于深入理解免疫应答，也为疾病诊断、疗效评估与精准治疗提供支持。”陈家宏说道。基于此，他进一步带领团队结合免疫吸附机制与微流控液滴平台，创新性开发出基于胆固醇偶联抗体的单细胞分泌物检测技术。相关研究成果以“单细胞分泌分析通过微流控细胞膜免疫吸附测定法进行免疫表型分析”（Single-Cell Secretion Analysis via Microfluidic Cell Membrane Immunosorbent Assay for Immune Profiling）为题，发表于2024年的《分析化学》（Analytical Chemistry）期刊上。值得一提的是，这项研究系统揭示了细胞异质性如何通过表面蛋白与多种分泌因子的协同作用调控免疫功能。鉴于当前高通量单细胞分泌物检测平台仍相对稀缺，此方法通过整合胆固醇抗体识别、微流控芯片处理与流式细胞术检测，可同步分析单细胞的多种分泌物与表型蛋白，为肿瘤分型、免疫评估及临床精准诊断提供了有力支撑。但陈家宏仍然步履未停，他正在构建、设计新一代液滴微流控平台，旨在高通量、高精度地筛选肿瘤抗药与转移的“本源细胞”——侵略性抗性癌细胞，以期为未来癌症治疗带来更精准、高效的个体化解决方案。

　　此外，仿生细胞工程也是陈家宏大处着眼的领域之一。他带领团队长期致力于开发具多功能整合能力的微流控仿细胞微胶囊，并率先在水凝胶粒子中实现类细胞多步骤级联反应。借鉴细胞内胞器协同机制，他们已将不同反应组分精确封装于特定腔室，并通过可控流体操作实现了高效、连续的生化反应整合。这一开创性成果显著提升了酶促级联反应效率，反应产率较传统方法提高逾三倍。在此基础上，陈家宏进一步开发出具环境响应特性的智能微胶囊材料，并引入液-液相分离机制，构建出流动膜仿细胞系统（Fluidic Membrane-Bound Protocells, FMPs）。此系统兼具分子流动性与催化活性，不仅可稳定运行于类细胞环境，还支持多功能协同反应，在智能药物递送、疾病治疗，以及复杂合成路径模拟中展现出广泛应用潜力。相关研究成果已于2024年发表在《ACS纳米》（ACS Nano）。凭借在微流控交叉技术领域的持续突破，陈家宏在香港连续多年主持多项科研项目，包括大学资助委员会优配研究金、医疗卫生研究基金、创新及科技基金，以及中国国家自然科学基金，并于2025年成功获得香港研究影响基金5年资助。同时，他已连续3年（2022—2024年）入选斯坦福大学发布的全球前2%高被引科学家榜单。尽管如此，他深知未来仍道阻且长，因此始终不懈推动微流控技术向智能化、工程化及临床应用的转化。