过去20年间，多种表面工程技术被用于制备微纳织构化表面，赋予基底可调润湿性（从超亲水到超疏水）、可调光学性能、抗污或抗菌等增强特性。尽管大量公开文献聚焦于开放基底表面的此类性能探索，但将微纳织构化表面作为微流道壁面集成至微流控与芯片实验室(LOC)器件中的应用仍相对有限，却因能显著提升器件功能而日益受到重视。本综述重点梳理了集成微纳织构化表面的微流控与LOC器件，其应用场景涵盖被动阀与液体输运介质、高灵敏度传感器、高效细菌捕获与裂解装置等，仅列举了部分增强功能。文中系统阐述并分析了集成表面对器件性能的增值作用，旨在全面阐明微纳织构化表面集成于微流控体系后所具备的多维度优势与增强功能，为相关领域的表面设计、器件开发及应用拓展提供系统性参考。
1 引言
微纳织构化是通过几何改性构建随机、分级的微纳尺度形貌特征（如微纳柱、锥体、沟槽或孔隙）以改变表面属性的工艺，可赋予基底独特的性能提升，包括调控润湿性（疏水性/亲水性）（Di Mundo et al., 2008）、优化细胞-表面相互作用（Tserepi et al., 2016）、控制光行为（如减反射性）（Vourdas et al., 2009）及提升太阳能电池效率（Chen, 2022）。“微纳织构化”与“微纳织构化表面”术语于2006年首次出现在学术文献中（Tserepi et al., 2006; Yi et al., 2006），分别用于描述聚合物或金属表面的形貌改性以实现超疏水(SH)表面，潜在应用于微流控与“智能”植入体。此后已发表多篇综述，分别聚焦微纳织构化表面的独特特性及其在不同领域的应用：等离子体改性聚合物表面的润湿调控（Palumbo et al., 2019）、激光加工硅表面的可调细胞黏附用于组织工程（Stratakis et al., 2011）、超疏水表面的新型流体动力学特性（如巨大有效滑移、超流动性与混合效应）用于液体输运（Vinogradova and Dubov, 2012）、生物界面功能（Pratap and Patra, 2021），以及铣削基表面微织构在光学、电子、生物医学与机械工程中的应用（Jiang et al., 2024）。
除综述外，大量研究论文报道了微纳织构化表面的独特性能及其在各类应用中的关键作用，包括表面属性调控（Gogolides et al., 2010; Aizawa et al., 2019）、可调润湿性（Di Mundo et al., 2008; Jiang et al., 2017; Rehman et al., 2025）、金属表面芯吸性能（Li et al., 2023）、纳米摩擦学性能（如摩擦系数）调控及其在微机电系统(MEMS)中的应用（Zhao et al., 2010; Hao et al., 2018; Xi et al., 2023）。其他代表性性能包括减阻、大有效滑移与增强电渗泵送等输运特性（Rothstein, 2010; Vinogradova and Belyaev, 2011; Sekeroglu, 2014; Solomon et al., 2014）用于微流控、水收集与露水收集（Nioras et al., 2022; 2024）；增强的生物分子固定化（Kunduru et al., 2010; Vlachopoulou et al., 2011; Tsougeni et al., 2018）用于目标物质的高灵敏检测；可调细胞黏附与生长（Khademhosseini et al., 2007; Wang et al., 2008; Koufaki et al., 2011; Mahmood et al., 2014; Islam et al., 2015b; Bourkoula et al., 2016; Mansur et al., 2017; Diaz Lantada et al., 2020; Zhang et al., 2025）用于组织工程、增强的癌细胞分离或医疗植入体的抗血栓性能；以及人工抗菌表面（Balčytis et al., 2015; Ellinas et al., 2017a; Nioras et al., 2025）。
尽管微纳织构化表面相关研究数量庞大，但多数聚焦于开放基底表面，仅三分之一涉及该类表面向微流控与芯片实验室(LoC)器件的集成。本综述将重点阐述集成微纳织构化表面的微流控与LOC器件，涵盖被动阀控、高灵敏传感、高效细菌捕获与裂解等独特器件功能。除分析集成表面对器件性能的增值效应外，还将梳理其主流制备技术（如图1B所示），并系统介绍该类器件的多样化应用场景。
2 微流控与芯片实验室中的微纳织构化表面：制备技术、增强特性与应用
补充表S1汇总了微纳织构化表面集成于微流控与LOC器件的相关研究，包含表面赋予的器件属性/功能、制备技术及对应的应用场景，这些数据同时支撑了图1A所示的研究进展统计。以下小节将分别阐述织构化表面的制备技术、赋予器件的增强特性及其应用。
2.1 面向微流控的微纳织构化技术
首个微流控芯片由Terry等人于1979年提出，实现了硅基微型气相色谱柱的集成。此后45年间，微流控领域快速发展以适配多元应用需求。传统微流道与LOC器件多采用成熟的半导体微加工技术制备，随后逐步发展出光刻、湿法/干法刻蚀、压印、计算机数控(CNC)加工、表面化学改性与封装等工艺。部分工艺会无意或有意地导致微流道内表面粗糙化，形成的微纳织构化形貌通常呈随机分布，包含微/纳米柱、线、丝状结构或其聚集体，区别于遵循特定CAD设计的规则图案化微纳特征。微流控表面可通过激光加工、等离子体处理、CNC加工、湿法处理等多种工艺实现微纳织构化（如图1B所示），表1按粗糙度尺寸从小到大排序，列出了各方法的粗糙度可调性。
2.1.1 等离子体微纳织构化
气体等离子体技术可用于多种材料的表面活化、刻蚀与沉积。作为微纳织构化刻蚀工具，其通过调控等离子体工艺参数（时间、偏压、气体种类、功率等）可同步实现表面活性基团引入与粗糙度调控，粗糙度高度可在数纳米至数微米范围内精准调节。根据所用气体类型，可针对硅片、玻璃、聚合物等不同微流控基底材料进行加工：氟基或氧基等离子体可实现硅与玻璃的刻蚀，SF6 与O2 混合等离子体刻蚀制备的黑硅(bSi)具有铅笔状纳米尖刺结构（高500 nm，直径95 nm），已集成于微流控器件；硅的低温刻蚀工艺也可实现黑硅粗糙度的可调控制（70 nm至3.8 μm）。
尽管硅与玻璃是早期微流控的主流材料，但聚合物因成本低、生物相容性好、可重复性与可制造性强，近年来成为LOC器件的常用基底。等离子体刻蚀可通过调控聚合物表面的化学组成与形貌，实现可控微纳织构化，以提升细胞黏附、增殖性能及微分析应用能力。采用微机电系统(MEMS)技术，结合聚合物表面直接光刻与等离子体刻蚀，或CNC铣削/热压后通过掩模进行等离子体刻蚀，可将微流道表面加工为微纳织构化形貌，粗糙度高度随工艺时间等条件变化可从数纳米至数微米。这类等离子体微纳织构化微流控器件可直接应用，例如用于DNA纯化的固相萃取，其中微流道壁的高比表面积充当固相载体。此外，通过进一步涂覆特异性生物分子（蛋白质、多肽、抗体）实现选择性生物捕获，或涂覆聚乙二醇(PEG)类化合物稳定表面亲水性，或通过沉积C4 F8 实现表面疏水化，可使聚合物微流控器件获得具有特定润湿性的活性壁面，进而调控内部流体流动行为。综上，大量研究已证实等离子体加工可实现微流道的可控微纳织构化（纳米至微米级），显著提升微流控器件的多元应用性能。
2.1.2 湿法处理
湿法刻蚀尤其是湿法各向异性刻蚀是光刻后形成硅基微流道的传统方法，使用NaOH、KOH、四甲基氢氧化铵(TMAH)、H3 PO4 、HF等溶液，其表面粗糙度随刻蚀时间、刻蚀剂种类、浓度与使用时长变化。另一种湿法刻蚀技术是氢氟酸与乙醇溶液中的阳极电化学过程结合氧化步骤，制备多孔硅(PSi)（圆柱形孔隙，直径约50 nm，孔隙率约75%），可集成于3D打印微流道中。
除刻蚀外，其他湿法工艺也可制备可集成于微流控的织构化表面，例如水热生长氧化锌(ZnO)等金属氧化物：经延长湿法处理后，可生长直径130–400 nm的细长ZnO纳米棒。聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流道也可通过片上注入H2 SO4 溶液（化学改性），或转移纸张纹理至PDMS壁面后注入含TiO2 纳米颗粒的丙酮溶液（物理改性）实现纳米织构化，增强流道的非润湿性能。另有研究通过铜蒸发与置换反应制备微纳分级树枝状结构用于液滴操控，或通过氢氧化钠与过硫酸铵溶液浸泡在激光微加工的铜轨道上制备簇状氢氧化铜纳米针（厚约200 nm），再经全氟癸硫醇功能化实现疏水改性。总体而言，湿法处理是最早且操作较简便的材料刻蚀与织构化方法之一，所得表面多为光滑或纳米级织构，粗糙度尺寸主要局限于纳米尺度。
2.1.3 激光加工
激光烧蚀因工艺时间短、成本低，已成为玻璃或聚合物微器件湿法刻蚀的替代制备方法，所制微流道的表面粗糙度高于湿法刻蚀通道。可使用光纤激光、CO2 激光、准分子激光（如Ar-F或Kr-F激光）及飞秒激光等多种类型激光器。研究人员探究了Kr-F激光参数（能量、频率、速度）对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流道特性（深度、壁角、表面粗糙度）的影响，最优工艺条件下可实现粗糙度2.2 μm、深度44 μm、宽度195 μm的微流道，且重复性良好，所得通道内表面呈疏水性。另有研究采用CO2 激光在PMMA上雕刻结构，通过软光刻转移至PDMS后再进行激光纳米织构化处理。
超快激光加工凭借非线性吸收过程，可实现三维微纳尺度的精准表面结构化，具备加工速度快、非接触、材料兼容性强、可制备复杂三维形貌等优势，是传统平面工艺难以实现的。激光诱导周期性表面结构(LIPSS)与微沟槽结构已被广泛用于多种应用并集成于微流控器件。研究人员利用飞秒激光在不锈钢微流道内制备双重织构形貌（LIPSS与微尺度特征），再经硅烷功能化实现超疏水改性；也有研究采用飞秒激光（158 fs脉冲，1 kHz钛宝石激光）在微流道内加工微沟槽结构，在特定区域构建亲水或超亲水表面。综上，激光加工是一种快速的纳米织构化工艺，所得微流控器件的表面粗糙度可从微米级降至数纳米级。
2.1.4 CNC加工与铣削基织构化
计算机数控(CNC)精密加工（包括钻孔、车削、机械磨削、电火花加工(EDM)）是制备微流道及复制模具的快速成熟方法，通过去除块体材料实现加工，所得表面粗糙度范围为0.2 μm至数十微米，取决于切削速度、刀具直径等参数。多数情况下该粗糙度过高，已有大量工作致力于降低其数值，例如先通过铣削制备高粗糙度（Ra=6.34×102 μm）的丙烯酸酯阳模，再通过调整预固化时间与温度限制粗糙度向PDMS微流道的转移。其他加工方法还包括磨料射流微加工(AJM)，通过抗侵蚀掩模制备微流控器件，所得微流道表面粗糙度Ra为0.4–0.6 μm，与更光滑的湿法刻蚀微流道（Ra为0.002–0.005 μm）相比，电渗迁移率与检测限相近，但分离效率更低，进一步证实过高粗糙度通常是不利的。铣削基微织构化技术仍处于探索阶段，在工业制造中应用有限，铣削刀具的选择对精度提升与粗糙度降低至关重要，当前粗糙度范围为微米级（最高至毫米级），未来有望降至纳米级。
2.1.5 微流道粗糙化的其他先进技术
增材制造（3D打印）因废料少、可快速制备带流体互连的密封器件，大幅简化了微流控器件的快速原型开发流程，近年来得到广泛应用。但3D打印微流道表面粗糙度较高，且多数情况下不可调，已有研究尝试降低其数值，例如结合3D打印微流道与多层PDMS涂层，将粗糙度从数十微米降至亚微米级。
此外，开放微流控的微纳织构化可通过喷涂疏水性PMC共聚物、TiO2 纳米颗粒与乙醇的混合分散液至铝、聚合物、纸等多种基底实现超疏水改性；再通过光掩模紫外照射基底，可实现超亲水与超疏水区域的润湿性图案化，表面粗糙度范围为数百纳米至数十微米。聚对二甲苯（Parylene或Nano-PPX）的斜角聚合也可诱导纳米织构化，表面形成亚微米级的纳米棒簇，呈疏水性，可发生塑性变形以构建液滴导向输运路径。还有研究利用预拉伸聚苯乙烯(PS)的收缩特性，在加热至玻璃化转变温度以上时诱导电极材料起皱，制备集成于微流控的褶皱金微纳织构化电极结构，电极特征尺寸从纳米到微米可调，可通过改变图案化电极的膜厚与收缩温度调控。铝诱导结晶(AIC)技术则利用非晶硅薄膜退火过程中的成核过程制备微织构化表面(MTS)与纳/微织构化表面(NMTS)，平均颗粒高度分别为460 nm与30 nm。其他技术还包括冷轧铝板溅射ZnO涂层制备分级形貌（平均粗糙度73.6 nm），或利用硅片未抛光背面作为PDMS模版，制备粗糙度均方根(RMS)为682 nm的PDMS通道纳米织构化表面。这些先进技术所得织构表面的粗糙度尺寸因方法而异，多属于特定实验室的探索性工作，通常需要专用设备与专业知识，仍需进一步研究。其中3D打印是新兴且持续发展的技术，目前尚未实现微流控中可调控的3D打印诱导粗糙度，但鉴于其广泛应用与预期进展，未来有望实现对粗糙度的精准控制。
2.2 增强的器件特性及其应用
表2汇总了微纳织构化表面赋予微流控器件的特性及其对应应用，图2展示了代表性集成微纳织构化表面的微流控器件及其功能特性。以下将详细讨论各项增强特性及其应用。
2.2.1 粗糙度与有效比表面积
微纳织构化最直接的结果是提升表面粗糙度与有效比表面积，部分研究中等离子体刻蚀1小时的聚合物表面因反应器壁刻蚀抑制剂的共沉积，形成了高25 μm的微纳柱，有效比表面积提升高达500%。
增加的表面粗糙度会影响微流控中的流体流动与传热，可应用于诊断微器件与微换热器。对于微换热器，表面粗糙度对混合对流换热有显著影响：300 μm深微流道中Ra=3 μm的粗糙度可使对流换热量较纯导热提升约40%。对于流体输运，微流道粗糙度通过提高滑移长度与流道高度的比值，降低压力降，促进流体在粗糙微流道内的流动，预测显示当粗糙度高度与流道深度相当（90 μm）时，压力降可降低20%。
但微流道表面粗糙度对电渗流速的影响在文献中存在争议：粗糙（Rq=1.28 μm）激光烧蚀微流道的电渗流速较光滑（Rq=0.02 μm）湿法刻蚀微流道略低（<15%）；相反，粗糙（粗糙度高度2 μm）且亲水化的等离子体刻蚀微流道电渗流速较光滑对照高40%，这归因于等离子体加工同时诱导的表面化学性质与润湿性变化。此外，粗糙（Ra=0.4–0.6 μm）微流道的分离效率较光滑微流道降低约4–5倍，可能源于粗糙微流道内的增强混合效应。若将Rq约250–1200 nm的织构化表面作为电极表面（沉积金等金属），其电活性比表面积较平面电极提升超过1000%，可实现高灵敏电化学分析。综上，微米与纳米尺度的表面粗糙度提升可促进对流换热（Ra=3 μm时提升40%）、压力驱动流体流动（粗糙度高度=90 μm时压力降降低20%）、高灵敏电化学分析（Rq约250–1200 nm时电极面积提升1000%），并可调控电渗流动（粗糙度高度1–2 μm时，流速随表面亲水性变化而升高或降低）。
2.2.2 润湿性调控/超疏水性
粗糙度是影响表面润湿性的核心因素，也是微流控中织构化表面最广泛应用的特性。润湿性调控（尤其是极端润湿性：超疏水性/超亲水性）可调控体相与液滴的液体输运，已有大量研究证实：超亲水性有利于封闭与开放微流道内的无泵液体输运；超疏水性若应用于微流道内的特定区域，可作为被动开关阀，其开启压力可通过超疏水区域的加工条件调控，已应用于微流控器件中，支持基于微球的免疫分析用于蛋白质检测。
超疏水表面被预测可产生巨大有效滑移、超流动性、增强混合等新型流体动力学特性，并影响电动力学现象，均可用于微流控与LOC器件。实验已证实，含2–3 μm高分级超疏水丘的微流道中压力降可降低22%；流动增强与流体动力阻力降低可减少泵送功率需求。此外，兼具0.72±0.05 μm微粗糙度与73.6 nm纳米粗糙度的柔性压电薄膜（铝板涂覆纳米结构ZnO）可用于数字微流控中的液滴输运，适配0°<α≤180°的宽倾角范围；铜轨道上经化学反应形成的200 nm厚纳米针经疏水改性后，可实现液滴自推进，无需外部主动驱动。纳米织构化数字微流控中还实现了液滴输运、自推进、液体电泳，并完成了实时聚合酶链式反应(PCR)用于DNA扩增。非对称取向的纳米织构化表面可用于液滴操控（合并与分选），表面图案化润湿性还可模拟天然岩石矿物的粗糙度，应用于地球科学领域。综上，可控表面粗糙度可轻松实现极端润湿性调控，用于微流控与LOC器件的无泵液体输运、被动阀控、流动增强与液滴操控。
2.2.3 生物分子吸附/结合
如前文2.2.1所述，表面粗糙度可使有效比表面积提升500%–1000%，结合纳米织构化表面的化学改性，可大幅提升表面固定生物分子的容量，该特性已被快速应用于微流道（传感器、生物分析芯片、微反应器）。研究表明，粗糙微流道对蛋白质的检测灵敏度较光滑微流道高两个数量级。
该高灵敏度被用于功能化多克隆抗体的微流控器件，可高效捕获食源性（如沙门氏菌）与环境（如军团菌）病原体，在等离子体微纳织构化表面（含5 μm高、间距5 μm的分级丘）上，细菌捕获效率较平坦微流道高10–100倍，具体取决于细菌浓度（浓度≤105 cells/mL时捕获效率达100%，浓度108 cells/mL时降至10%）。除抗体外，适体等其他生物分子也可固定于粗糙表面，用于高灵敏检测目标蛋白与酶（如辣根过氧化物酶HRP），应用于酶微反应器中的酚类生物催化氧化。此外，微流道壁增强的有效比表面积（等离子体处理20分钟可使表面积提升6倍）可提供高密度表面化学基团，用于DNA等生物分子的结合，支持微流控器件中的DNA纯化，用于下游扩增与分子诊断检测。
2.2.4 可控细胞黏附/增殖
细胞-表面黏附的调控对组织工程、诊断与生物传感器等生物与生物分析应用至关重要，普遍认为细胞黏附受表面化学与物理特性（如疏水性/亲水性、表面电荷、表面粗糙度）的共同调控。由30 nm高、0.66 μm直径、5%表面覆盖率的纳米颗粒构成的微纳织构化表面，可使细胞-表面黏附较光滑表面提升2倍以上，可用于构建细菌基传感器。除高粗糙度外，润湿性图案化还可在流道内构建超亲水与超疏水的微纳织构化区域，细胞仅选择性黏附于超亲水微纳织构化表面，无黏附于超疏水区域，可用于细胞图案化与细胞阵列构建。12 μm粗糙度高度的微纳织构化表面可增强细菌黏附，用于高效细菌捕获与检测。
超快激光加工的微纳结构化表面（粗糙度比1.6）在组织工程中备受关注，流动剪切应力与表面形貌的协同作用可抑制Neuro-2a细胞的分化。平均高度约800 nm的分级微纳织构化表面适合癌细胞的特异性增殖与富集（较正常细胞富集25–80倍），癌细胞与表面的增强相互作用及较慢的转运速度（Ra=519 nm表面为240 μs，光滑表面Ra=20 nm为149 μs）可用于血液中循环癌细胞的检测。适体功能化的500 nm粗糙度纳米织构化表面可从血液中高效捕获癌细胞（捕获率83%）；抗体功能化的Rq约680 nm纳米织构化表面对癌细胞的捕获效率较平坦表面提升71%±19%，可用于捕获后细胞评估与高效核酸提取。综上，微纳织构化微流控的高比表面积被用于增强细菌、正常细胞与癌细胞的黏附，应用于细菌检测、组织工程、癌细胞富集与检测。
2.2.5 杀菌作用
在即时诊断等应用中，细菌裂解是芯片上的关键步骤，需后续核酸扩增与检测。多种表面的杀菌作用已被集成至微流控器件，实现无试剂细菌裂解，支持芯片上全流程集成用于细菌的DNA检测。黑硅纳米尖刺（高约500 nm，直径95 nm）与ZnO纳米尖刺（长数微米，直径130–400 nm）可用于细菌裂解与DNA释放，用于后续处理与分析，也可用于含菌溶液的快速消毒。此外，多尺度（微纳织构化）电极的电裂解器件可将细菌裂解所需电压从8 V降至4 V，并将裂解效率提升至100%。在具有杀菌作用的器件中成功提取细菌核酸，证明该类器件可集成于实用型LOC系统。综上，具有合适（通常为纳米尖刺）几何形貌（直径数百纳米、长度数微米）的织构化表面已被集成于微流控与LOC器件，利用其杀菌作用实现无试剂细菌裂解与DNA释放，用于后续分析，也可用于含菌液体的快速去污。
3 商业化潜力
过去35年微流控与LOC技术在研究与应用中取得了巨大进展，大量原型器件被开发，但其商 业 化 仍 面 临
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