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研究人員利用3D打印技術(shù)制造微流控芯片，可用于檢測(cè)新冠病毒及腫瘤細(xì)胞

2022-04-28

微流控設(shè)備是由雕刻在芯片上的微小通道組成的緊湊型測(cè)試工具，它允許生物醫(yī)學(xué)研究人員在微觀尺度上測(cè)試液體、顆粒和細(xì)胞的特性。

微流控芯片廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、生物和醫(yī)療領(lǐng)域。它們?cè)诃h(huán)境分析以及食品和農(nóng)業(yè)研究中也有越來(lái)越多的用途。此外，由于制藥公司在新冠肺炎大流行期間尋求高性能且具有成本效益的診斷技術(shù)，微流控變得越來(lái)越重要。

2022年4月3日，南極熊獲悉，來(lái)自南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種高度專業(yè)化的3D打印技術(shù)（大桶光聚合技術(shù)），可以在芯片上以前所未有的精確微尺度制造微流體通道。

微流控芯片的生產(chǎn)涉及到諸多繁瑣復(fù)雜的步驟，微小的通道和孔往往需要手工蝕刻或模壓到透明的樹(shù)脂芯片中進(jìn)行測(cè)試。雖然3D打印為生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的制造提供了許多優(yōu)勢(shì)，但直到現(xiàn)在大多數(shù)技術(shù)都不夠靈敏，無(wú)法構(gòu)建微流控設(shè)備所需的精細(xì)層結(jié)構(gòu)。

通過(guò)3D打印構(gòu)建微流控芯片

南加州大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程系博士畢業(yè)生Daniel J. Epstein和維特比工程學(xué)院的航空航天與機(jī)械工程和工業(yè)與系統(tǒng)工程教授Yong Chen與化學(xué)工程和材料科學(xué)教授Noah Malmstadt和普渡大學(xué)教授Huachao Mao合作進(jìn)行的這項(xiàng)研究，發(fā)表在《自然通訊》上。

Chen說(shuō)："在光投射之后，我們基本上可以決定在哪里構(gòu)建（芯片的）部件，由于我們使用的是光投影技術(shù)，所以在一個(gè)層內(nèi)的分辨率可以相當(dāng)高。然而，層與層之間的分辨率要差得多，這是構(gòu)建微尺度通道的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。這是我們第一次能夠打印出通道高度為10微米水平的結(jié)構(gòu)，而且做到了真正的精準(zhǔn)控制，誤差為±1微米。這是以前從未做過(guò)的事情，所以這是微通道3D打印的一個(gè)突破"。

不過(guò)當(dāng)涉及到微流控設(shè)備時(shí)，大桶光聚合在創(chuàng)建芯片上所需的微小孔洞和通道方面仍有一些缺點(diǎn)。紫外光源經(jīng)常深入到殘留的液體樹(shù)脂中，使設(shè)備通道壁內(nèi)的材料固化和凝固，這將堵塞成品設(shè)備。

3D打印微流控設(shè)備

Chen說(shuō)："理想狀況下光線投射到打印樹(shù)脂層時(shí)，通道壁只會(huì)固化一層，而通道內(nèi)的液體樹(shù)脂不受影響。但很難控制固化深度，因?yàn)槲覀冊(cè)噲D針對(duì)只有10微米間隙的部件。目前商業(yè)應(yīng)用的工藝只允許在100微米的水平上建立通道高度，精度控制很差，這是因?yàn)楣饩€穿透固化層太深，除非你使用的是不透明的樹(shù)脂，不允許那么多光線穿透。但是對(duì)于微流控通道，通常你想在顯微鏡下觀察一些東西，如果它是不透明的，你就不能看到里面的材料，所以我們需要使用透明樹(shù)脂。“

為了在適合微流控設(shè)備的微觀層面上準(zhǔn)確地在透明樹(shù)脂中創(chuàng)建通道，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)獨(dú)特的輔助平臺(tái)，該平臺(tái)在光源和打印設(shè)備之間移動(dòng)，阻擋光線使通道壁內(nèi)的液體凝固，這樣就可以在設(shè)備的頂部單獨(dú)添加通道頂。殘留在通道內(nèi)的樹(shù)脂仍將處于液體狀態(tài)，然后可以在打印完成后被沖出，形成通道空間。

微流控芯片應(yīng)用

微流控設(shè)備在醫(yī)學(xué)研究、藥物開(kāi)發(fā)和診斷方面有著越來(lái)越重要的應(yīng)用。

Chen還表示："微流控通道的應(yīng)用非常多。你可以讓血樣流過(guò)通道，與其他化學(xué)品混合，這樣你就可以檢測(cè)你是否感染了COVID或血糖水平是否是否正常。新的3D打印平臺(tái)具有微尺度的通道，允許其他應(yīng)用，如粒子過(guò)濾。粒子過(guò)濾機(jī)是一種微流控芯片，利用不同大小的腔室，可以分離不同大小的粒子。這可以為癌癥檢測(cè)和研究提供重大好處。

腫瘤細(xì)胞比正常細(xì)胞略大，正常細(xì)胞約為20微米，而腫瘤細(xì)胞可能超過(guò)100微米。現(xiàn)在，常規(guī)檢測(cè)癌細(xì)胞都是使用活檢法：從病人身上切割器官或組織，以顯示健康細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的混合。相反，這項(xiàng)研究中提出的便捷式微流控設(shè)備，可以讓檢測(cè)樣本流經(jīng)具有精確打印高度的通道，將細(xì)胞分成不同的尺寸，這樣那些健康細(xì)胞就不會(huì)干擾最終的檢測(cè)結(jié)果。

據(jù)悉，南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在為這種新的3D打印方法申請(qǐng)專利，并正在尋求合作，將這種制造技術(shù)商業(yè)化，用于醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備。

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