3D打印不同功能的模塊化微流控芯片

微流控芯片為許多研究領(lǐng)域提供了一個便攜式和自動化的平臺，包括分析化學(xué)，生物化學(xué)分析，生物醫(yī)學(xué)研究和材料合成。微流控芯片還可為研究細(xì)胞共培養(yǎng)，細(xì)胞代謝活動，細(xì)胞間相互作用和藥物代謝機(jī)制提供了一個便利的平臺。由于傳統(tǒng)的微流控芯片都采用泵驅(qū)動，對微流道而言，需要很大的壓力才能驅(qū)動，這就使得現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的微流控芯片進(jìn)行模塊化封裝時容易出現(xiàn)泄漏。

圖1.模塊化微流體裝置制造過程示意圖

據(jù)悉，浙江大學(xué)賀永教授團(tuán)隊提出了一種基于毛細(xì)驅(qū)動的模塊化微流控芯片制造新方法，通過3D打印的方式可方便的打印芯片的各個模塊，然后通過在微流道內(nèi)填充具有毛細(xì)效應(yīng)的纖維素粉，使其具有毛細(xì)自驅(qū)動功能。這個方法的優(yōu)勢在于對模塊間的組裝精度要求低，使用普通的桌面式3D打印機(jī)就可制造，打印出類樂高積木式的芯片模塊，然后可很方便的組裝起來，組裝后模塊化芯片也無需泵即可驅(qū)動。

圖2 不同的流動行為操控

近來出現(xiàn)了由各個功能模塊組裝而成的模塊化微流控芯片。每個模塊在被集成到微流控系統(tǒng)之前可以分別設(shè)計，制造和修改。模塊化微流體的制造包括微細(xì)加工方法和3D打印技術(shù)?，F(xiàn)有模塊化微流控應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)在于準(zhǔn)確對齊和嚴(yán)格密封，以確保組裝后模塊間無泄漏且流體互通，使其對制造精度要求很高。

圖3.幾種典型的芯片模塊

賀永教授團(tuán)隊提出了一種新型毛細(xì)驅(qū)動的模塊化微流控系統(tǒng)，其特點(diǎn)是可以根據(jù)特定需求選取特定基本功能模塊實現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)的拼裝，其開放的結(jié)構(gòu)使得易于整合各種支架和反應(yīng)物，且沒有必要進(jìn)行嚴(yán)格的密封或?qū)R。采用3D打印機(jī)打印不同的功能模塊，通過類樂高式的統(tǒng)一接頭拼裝，然后用具有毛細(xì)效應(yīng)的材料填充微流道，即可實現(xiàn)。這種可快速重建的模塊化微流體裝置由基本功能模塊和其他個性化模塊組成，每個模塊都有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，便于組裝。通過桌面3D打印機(jī)打印，制造過程簡單高效，并且可以方便地控制流道尺寸。通過不同模塊的多種組合，可以實現(xiàn)多種不同的功能，而無需重復(fù)制造過程。單個模塊也可以取出來進(jìn)行測試和分析。課題組通過一系列探索，選定了適合的毛細(xì)填充材料，并進(jìn)行了一系列流量流道尺寸標(biāo)定實驗，為流場可編程提供基礎(chǔ)；通過幾個簡單電路實驗，證明了系統(tǒng)用于液態(tài)電路的潛能；通過骨支架的降解實驗展示了系統(tǒng)作為生物反應(yīng)器的能力；通過一系列細(xì)胞培養(yǎng)及表征實驗，揭示了系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的可行性。

圖4.模塊化芯片的細(xì)胞培養(yǎng)