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3D打印微流控芯片的研究进展

微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点,它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析,并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。

 

用于制作微流控芯片的加工技术大多继承自半导体工业,其加工过程工序繁多,且依赖价格高昂的先进设备。采用3D打印技术,可以显著简化微流控芯片的加工过程,在打印材料的选择上也非常灵活。


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3D打印基于毛细驱动的微流控芯片

 

浙江大学贺永及其研究团队提出了一种基于毛细驱动的3D打印微流控芯片(μ3DPADs),其无泵驱动的特点与现有的纸基微流控芯片类似。


对于纸基微流控芯片来说,毛细驱动的优点是不需要外界泵驱动,体积小,成本低,非常适合于Point-of-Care(POC)系统等资源紧缺的应用场合。但毛细驱动的缺点是流动场都被动的由毛细力控制,无法实现复杂的流动控制及流场的可编程。


通过3D打印可以将2D的纸基微流控芯片扩展到3D尺度。维数的增大带来的优势是我们可通过调控其流道深度来实现流速的可控(流场的可编程)。

 

一系列的实验证实该微流控芯片是目前2D纸基微流控芯片的有效补充,该微流控芯片适合于希望以无驱方式简化流体驱动的同时又希望能实现一些复杂的流动控制。

 

3D打印结合微流控芯片加速药物检测

 

弗吉尼亚理工大学-维克森林大学生物医学工程学院和科学研究所以及再生医学机构的助理教授Aleksander Skardal博士和Adam R Hall博士通过3D打印结合微流控芯片加速药物检测。

 

具体来说,研究人员建立了一个三维装置,将肝细胞包围在一个可以模仿ECM的生物聚合物中。肝细胞被UV交联水凝胶溶液混合在一起,放入装置内,实施定域光聚合技术,在原位生成组织结构。使用水凝胶是因为它能“特殊模仿自然ECM的特性,”根据研究显示。该结构在装置内可保持7天稳定。

 

研究人员随后用0-500mM的乙醇,与上述结构混合进行毒理学分析。研究人员发现,乙醇的量对细胞活力有系统的影响。此外,对肝功能的分析评估表明,增加乙醇暴露后,人体血清白蛋白和尿素的输出量有显着减少。

 

3D打印“器官芯片”

 

此外,生物3D打印技术在制造复杂3D人体组织结构方面具有潜力。微流控系统可以为3D 组织提供营养、氧气和生长因子,在实验室环境下重现各种疾病的微环境,可广泛应用于药物研发、致病机理研究、细胞发育机制探讨等领域。未来,先进的生物3D打印机不仅可以打印微流控平台,还可以同时在微流控平台中直接打印出定制化的微观人体组织。

 

美国康涅狄格大学等机构的科学家在Towards Single-Step Biofabrication of Organs on a Chip via 3D Printing(通过3D打印技术进行器官生物芯片的一步制造)一文中描述到,传统的微流控芯片制造技术是劳动密集型的产业,不利于实验室进行芯片设计的快速迭代和快速制造。将3D打印技术用于制造微流控生物芯片则可以在几个小时内实现微型流体通道的快速制造,有利于设计的快速迭代,提高了基于微流控研究的跨学科性,并加速创新。

 



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