Microfluidic chips, often referred to as lab-on-a-chip (LOC) systems, are devices that manipulate small volumes of fluids through microscale channels etched or molded into substrates like polydimethylsiloxane (PDMS), glass, or thermoplastics. These devices can perform multiple laboratory functions on a single, compact platform. Originating from microelectromechanical systems (MEMS), microfluidics has evolved into a vital tool in life sciences, particularly in pharmaceutical research, due to its ability to precisely control experimental conditions, reduce reagent use, and allow real-time analysis [1].
Chip vi lưu, thường được gọi là hệ thống phòng thí nghiệm trên chip (LOC), là các thiết bị điều khiển các thể tích nhỏ chất lỏng thông qua các kênh vi mô được khắc hoặc đúc thành các chất nền như polydimethylsiloxane (PDMS), thủy tinh hoặc nhựa nhiệt dẻo. Các thiết bị này có thể thực hiện nhiều chức năng phòng thí nghiệm trên một nền tảng nhỏ gọn duy nhất. Có nguồn gốc từ các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), vi lưu đã phát triển thành một công cụ quan trọng trong khoa học sự sống, đặc biệt là trong nghiên cứu dược phẩm, do khả năng kiểm soát chính xác các điều kiện thử nghiệm, giảm sử dụng thuốc và cho phép phân tích thời gian thực [1].
Drug Discovery and Screening/ Khám phá và sàng lọc thuốc
In the early stages of drug discovery, microfluidic chips have greatly enhanced high-throughput screening (HTS) capabilities. Unlike traditional HTS, which uses large volumes in multi-well plates, microfluidic systems can screen thousands of compounds simultaneously using only nanoliters of fluid. This drastically reduces reagent cost and time while enabling automation and better reproducibility. Moreover, microfluidic chips can be integrated with analytical tools such as fluorescence microscopy or mass spectrometry, allowing for rapid detection of drug-target interactions or cytotoxicity. Cell-based assays in microfluidic environments offer more physiologically relevant data, as cells can be cultured in 3D matrices under continuous flow, mimicking in vivo conditions [2].
Trong giai đoạn đầu của quá trình khám phá thuốc, chip vi lưu đã cải thiện đáng kể khả năng sàng lọc thông lượng cao (HTS). Không giống như HTS truyền thống, sử dụng thể tích lớn trong các đĩa nhiều giếng, các hệ thống vi lưu có thể sàng lọc hàng nghìn hợp chất cùng lúc chỉ bằng cách sử dụng nanolit chất lỏng. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí và thời gian của thuốc thử đồng thời cho phép tự động hóa và hiệu suất tốt hơn. Hơn nữa, chip vi lưu có thể được tích hợp với các công cụ phân tích như kính hiển vi huỳnh quang hoặc khối phổ, cho phép phát hiện nhanh chóng các tương tác thuốc-mục tiêu hoặc độc tính tế bào. Các xét nghiệm dựa trên tế bào trong môi trường vi lưu cung cấp dữ liệu có liên quan đến sinh lý hơn, vì các tế bào có thể được nuôi cấy trong các hệ thống 3D dưới dòng chảy liên tục, mô phỏng các điều kiện trong cơ thể sống [2].
Drug Formulation and Delivery/ Thành lập công thức và vận chuyển thuốc
Drug formulation also benefits significantly from microfluidics, especially in the synthesis of nanoparticles and liposomes. These drug carriers are crucial for targeted drug delivery systems, such as those used in cancer therapy or mRNA vaccine delivery. Microfluidic devices provide a highly controlled environment for the self-assembly of these particles, resulting in uniform size distribution and high reproducibility—key parameters for clinical translation. In addition, drug release studies can be conducted on-chip by simulating dynamic physiological conditions. For instance, pH-sensitive release profiles can be tested under continuous flow, offering insights into how a drug might behave in different parts of the body [3].
Công thức thuốc cũng được hưởng lợi đáng kể từ vi lưu, đặc biệt là trong quá trình tổng hợp các hạt nano và liposome. Các chất mang thuốc này rất quan trọng đối với các hệ thống phân phối thuốc hướng đích, như các hệ thống được sử dụng trong liệu pháp điều trị ung thư hoặc vắc-xin mRNA. Các thiết bị vi lưu cung cấp một môi trường được kiểm soát chặt chẽ để tự lắp ráp các hạt này, dẫn đến sự phân bố kích thước đồng đều và hiệu suất cao—các thông số chính để ứng dụng trong lâm sàng. Ngoài ra, các nghiên cứu giải phóng thuốc có thể được tiến hành trên chip bằng cách mô phỏng các điều kiện sinh lý thực tế. Ví dụ, các đặc điểm phóng thuốc phụ thuộc vào pH có thể được thử nghiệm trong dòng chảy liên tục, cung cấp thông tin chi tiết về cách thuốc có thể hoạt động ở các bộ phận khác nhau của cơ thể [3].
Figure 1. The impact of microfluidics on the physicochemical properties of nano-drug delivery systems, and the influences of nano-drug delivery systems with different structures on experimental results in vivo. Microfluidics is divided into continuous-flow microfluidics and segmented-flow microfluidics. The physicochemical properties of nano-drug delivery systems (e.g., particle size, morphology, and drug-loading capacity) can be well-controlled by continuously monitoring the reaction condition and process parameters such as flow rate ratio, flow rate, temperature and chip geometry. And the circulation time was prolonged and cellular uptake efficiency was increased. Reproduced from [3].
Hình 1. Tác động của vi lưu chất lên các tính chất lý hóa của hệ thống vận chuyển thuốc nano và ảnh hưởng của các hệ thống vận chuyển thuốc nano có cấu trúc khác nhau lên kết quả thực nghiệm trong cơ thể sống. Vi lưu chất được chia thành vi lưu chất dòng chảy liên tục và vi lưu chất dòng chảy phân đoạn. Các tính chất lý hóa của hệ thống vận chuyển thuốc nano (ví dụ: kích thước hạt, hình thái và khả năng tải thuốc) có thể được kiểm soát tốt bằng cách liên tục theo dõi điều kiện phản ứng và các thông số quy trình như tỷ lệ lưu lượng, tốc độ dòng chảy, nhiệt độ và hình dạng chip. Và thời gian lưu thông được kéo dài và hiệu quả hấp thụ tế bào được tăng lên. Sao chép từ [3].
Organ-on-a-Chip Models/Mô hình cơ quan trên chip
One of the most transformative applications of microfluidic technology in pharmaceutical science is the development of organ-on-a-chip (OoC) models. These devices replicate the structural, mechanical, and functional aspects of human organs using living cells in microengineered environments. Examples include liver-on-a-chip for metabolism and toxicity studies, heart-on-a-chip for evaluating cardiotoxicity, and lung-on-a-chip for respiratory drug screening. More complex systems, such as multi-organ or body-on-a-chip platforms, simulate systemic interactions and pharmacokinetics (ADME: absorption, distribution, metabolism, and excretion) of drugs. These platforms provide more predictive data than conventional 2D cultures or animal models, potentially accelerating the drug development pipeline while reducing reliance on animal testing [4].
Một trong những ứng dụng mang tính biến đổi nhất của công nghệ vi lưu trong khoa học dược phẩm là sự phát triển của các mô hình cơ quan trên chip (OoC). Các thiết bị này sao chép các khía cạnh về cấu trúc, cơ học và chức năng của các cơ quan của con người bằng cách sử dụng các tế bào sống trong môi trường vi kỹ thuật. Ví dụ bao gồm gan trên chip để nghiên cứu quá trình chuyển hóa và độc tính, tim trên chip để đánh giá độc tính tim và phổi trên chip để sàng lọc thuốc đường hô hấp. Các hệ thống phức tạp hơn, chẳng hạn như nền tảng đa cơ quan hoặc cơ thể trên chip, mô phỏng các tương tác toàn thân và dược động học (ADME: hấp thụ, phân phối, chuyển hóa và bài tiết) của thuốc. Các nền tảng này cung cấp dữ liệu dự đoán nhiều hơn so với nuôi cấy 2D thông thường hoặc mô hình động vật, có khả năng đẩy nhanh quy trình phát triển thuốc đồng thời giảm sự phụ thuộc vào thử nghiệm trên động vật [4].
Figure 3. Real-time monitoring system for lung-on-a-chip. Reproduced from [4].
Hình 3. Hệ thống theo dõi thời gian thực cho mô hình phổi trên chip. Sao chép từ [4].
Personalized Medicine/ Thuốc cá nhân hoá
Microfluidic platforms also play an important role in personalized medicine. By integrating patient-derived cells, researchers can simulate individual responses to drugs and tailor treatments accordingly. For example, tumor-on-chip models derived from a patient’s biopsy can be used to test different chemotherapy regimens before choosing the most effective one. Similarly, microfluidic chips can help evaluate how genetic variations in drug-metabolizing enzymes, such as CYP450 isoforms, influence drug efficacy or toxicity. This has significant implications for pharmacogenomics and individualized therapy planning [5].
Các nền tảng vi lưu cũng đóng vai trò quan trọng trong y học cá nhân hóa. Bằng cách tích hợp các tế bào có nguồn gốc từ bệnh nhân, các nhà nghiên cứu có thể mô phỏng phản ứng của từng cá nhân đối với thuốc và điều chỉnh các phương pháp điều trị cho phù hợp. Ví dụ, các mô hình khối u trên chip có nguồn gốc từ sinh thiết của bệnh nhân có thể được sử dụng để thử nghiệm các phác đồ hóa trị khác nhau trước khi chọn phác đồ hiệu quả nhất. Tương tự như vậy, các chip vi lưu có thể giúp đánh giá cách các biến thể di truyền trong các enzyme chuyển hóa thuốc, chẳng hạn như các đồng dạng CYP450, ảnh hưởng đến hiệu quả hoặc độc tính của thuốc. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với dược lý di truyền và lập kế hoạch điều trị cá nhân hóa [5].
Figure 4. A Microfluidic devices offer great potential to evaluate treatment response in a patient-specific manner. Surgical samples or biopsy cores are used for histopathological analysis and molecular profiling. Additionally, the tissue is also digested to isolate patient-derived cells and then cultured in vitro. Tumor, stromal, endothelial, and/or lymphatic cells are cultured in the microfluidic device. Next, functional response is monitored, providing valuable information about tumor evolution and patient prognostic. B Microfluidic devices can leverage other advances in in vitro culture such as 3D bioprinting to generate highly complex structures with biologically derived extracellular matrices. C The high-throughput potential of microfluidic devices makes them amenable for large drug screening to evaluate the optimal drug candidate for each individual patient. Reproduced from [5].
Hình 4. A. Các thiết bị vi lưu cung cấp tiềm năng lớn để đánh giá phản ứng điều trị theo cách cụ thể của từng bệnh nhân. Các mẫu phẫu thuật hoặc lõi sinh thiết được sử dụng để phân tích mô bệnh học và lập hồ sơ phân tử. Ngoài ra, mô cũng được tiêu hóa để phân lập các tế bào có nguồn gốc từ bệnh nhân và sau đó nuôi cấy trong ống nghiệm. Các tế bào khối u, mô đệm, nội mô và/hoặc bạch huyết được nuôi cấy trong thiết bị vi lưu. Tiếp theo, phản ứng chức năng được theo dõi, cung cấp thông tin có giá trị về quá trình tiến triển của khối u và tiên lượng bệnh nhân. B. Các thiết bị vi lưu có thể tận dụng các tiến bộ khác trong nuôi cấy trong ống nghiệm như in sinh học 3D để tạo ra các cấu trúc cực kỳ phức tạp với các ma trận ngoại bào có nguồn gốc sinh học. C. Tiềm năng thông lượng cao của các thiết bị vi lưu khiến chúng phù hợp với sàng lọc thuốc quy mô lớn để đánh giá ứng viên thuốc tối ưu cho từng bệnh nhân. Sao chép từ [5].
In conclusion, microfluidic chips offer a transformative platform for pharmaceutical science by enhancing the efficiency, accuracy, and relevance of drug development, formulation, diagnostics, and personalized therapy. As technological and regulatory barriers are addressed, microfluidics is poised to become a cornerstone of modern pharmaceutical research and healthcare innovation.
Tóm lại, chip vi lưu cung cấp một nền tảng chuyển đổi cho khoa học dược phẩm bằng cách nâng cao hiệu quả, độ chính xác và tính phù hợp của quá trình phát triển thuốc, công thức, chẩn đoán và liệu pháp cá nhân hóa. Khi các rào cản về công nghệ và quy định được giải quyết, vi lưu sẽ trở thành nền tảng của nghiên cứu dược phẩm hiện đại và đổi mới chăm sóc sức khỏe.
References/Tài liệu tham khảo
[1] Athina-Marina Mitrogiannopoulou, Tselepi Vasiliki and Ellinas Kosmas (2023), "Polymeric and Paper-Based Lab-on-a-Chip Devices in Food Safety: A Review", Micromachines, 14(5).
[2] Anant Bhusal, Yogeshwaran Swaprakash, Goodarzi Hosseinabadi Hossein, Cecen Berivan and Miri Amir K. (2025), "Microfluidics for High Throughput Screening of Biological Agents and Therapeutics", Biomedical Materials & Devices, 3(1), 93-107.
[3] Huan Zhang, Yang Jie, Sun Rongze, Han Songren, Yang Zhaogang and Teng Lesheng (2023), "Microfluidics for nano-drug delivery systems: From fundamentals to industrialization", Acta Pharmaceutica Sinica B, 13(8), 3277-3299.
[4] Ling An, Liu Yi and Liu Yaling (2025), "Organ-on-a-Chip Applications in Microfluidic Platforms", Micromachines, 16(2).
[5] Jose M. Ayuso, Virumbrales-Muñoz María, Lang Joshua M. and Beebe David J. (2022), "A role for microfluidic systems in precision medicine", Nature Communications, 13(1), 3086.