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研究人員利用3D打印技術制造微流控芯片，可用于檢測新冠病毒及腫瘤細胞

2022-04-28

微流控設備是由雕刻在芯片上的微小通道組成的緊湊型測試工具，它允許生物醫學研究人員在微觀尺度上測試液體、顆粒和細胞的特性。

微流控芯片廣泛應用于醫療保健、生物和醫療領域。它們在環境分析以及食品和農業研究中也有越來越多的用途。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，微流控變得越來越重要。

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

微流控芯片的生產涉及到諸多繁瑣復雜的步驟，微小的通道和孔往往需要手工蝕刻或模壓到透明的樹脂芯片中進行測試。雖然3D打印為生物醫學設備的制造提供了許多優勢，但直到現在大多數技術都不夠靈敏，無法構建微流控設備所需的精細層結構。

通過3D打印構建微流控芯片

南加州大學工業與系統工程系博士畢業生Daniel J. Epstein和維特比工程學院的航空航天與機械工程和工業與系統工程教授Yong Chen與化學工程和材料科學教授Noah Malmstadt和普渡大學教授Huachao Mao合作進行的這項研究，發表在《自然通訊》上。

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

不過當涉及到微流控設備時，大桶光聚合在創建芯片上所需的微小孔洞和通道方面仍有一些缺點。紫外光源經常深入到殘留的液體樹脂中，使設備通道壁內的材料固化和凝固，這將堵塞成品設備。

3D打印微流控設備

Chen說："理想狀況下光線投射到打印樹脂層時，通道壁只會固化一層，而通道內的液體樹脂不受影響。但很難控制固化深度，因為我們試圖針對只有10微米間隙的部件。目前商業應用的工藝只允許在100微米的水平上建立通道高度，精度控制很差，這是因為光線穿透固化層太深，除非你使用的是不透明的樹脂，不允許那么多光線穿透。但是對于微流控通道，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脂。“

為了在適合微流控設備的微觀層面上準確地在透明樹脂中創建通道，該團隊開發了一個獨特的輔助平臺，該平臺在光源和打印設備之間移動，阻擋光線使通道壁內的液體凝固，這樣就可以在設備的頂部單獨添加通道頂。殘留在通道內的樹脂仍將處于液體狀態，然后可以在打印完成后被沖出，形成通道空間。

微流控芯片應用

微流控設備在醫學研究、藥物開發和診斷方面有著越來越重要的應用。

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

腫瘤細胞比正常細胞略大，正常細胞約為20微米，而腫瘤細胞可能超過100微米。現在，常規檢測癌細胞都是使用活檢法：從病人身上切割器官或組織，以顯示健康細胞和腫瘤細胞的混合。相反，這項研究中提出的便捷式微流控設備，可以讓檢測樣本流經具有精確打印高度的通道，將細胞分成不同的尺寸，這樣那些健康細胞就不會干擾最終的檢測結果。

據悉，南加州大學維特比工程學院的研究團隊現在正在為這種新的3D打印方法申請專利，并正在尋求合作，將這種制造技術商業化，用于醫療檢測設備。

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