3D打印陶瓷微系統(tǒng)推進微流控芯片或人體器官芯片應用

芯片上的實驗室-微流控芯片技術(Microfluidics)是把生物、化學、醫(yī)學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上， 自動完成分析全過程。由于它在生物、化學、醫(yī)學等領域的巨大潛力，已經發(fā)展成為一個生物、化學、醫(yī)學、流體、電子、材料、機械等學科交叉的嶄新研究領域。

人體器官芯片（organs-on-a-chip）是近幾年發(fā)展起來的一種新興前沿交叉學科技術，它以前所未有的方式見證機體的多種生物學行為，在新藥發(fā)現、疾病機制和毒性預測等領域具有重要應用前景。

馬德里自治大學和陶瓷3D打印公司Lithoz聯合開發(fā)了復雜的3D打印陶瓷微系統(tǒng)，可以推進芯片實驗室和人體芯片器官的開發(fā)與應用。開發(fā)團隊表示，其3D打印陶瓷器件標志著生物醫(yī)學領域的突破。

使用Lithoz的CeraFab 7500機器（一種基于光刻的增材制造系統(tǒng)）將陶瓷材料與光敏樹脂混合3D打印出來，這種八邊形的芯片被打印出來后，通過燒結去除樹脂，將陶瓷顆粒熔合在一起成為固體件。這一步很重要，因為它可以達到芯片所需要的密封材料生物醫(yī)學性能要求（以防止活體材料的泄漏）。根據研究人員，這種3D打印的陶瓷芯片顯示了將陶瓷材料用于生物醫(yī)學應用的潛力，因為它們比玻璃或塑料具有更高的強度和更好的耐溫性。

3D打印陶瓷微系統(tǒng)是一次性成型的，這意味著它不需要任何組件，也無需零部件維護。作為其結構的一部分，復合微系統(tǒng)整合了多孔膜，用來分離不同水平的細胞培養(yǎng)室，類似于transwell的功能。

根據論文，復合微系統(tǒng)還包括通過懸臂陶瓷膜連接的通道網絡。 3D科學谷了解到這種微流體系統(tǒng)具有復雜的特征，集成度很高，整體部件尺寸緊湊，細節(jié)水平精湛。

總體而言，3D打印陶瓷微系統(tǒng)可以為更復雜的細胞培養(yǎng)測試裝置提供有效和相對簡單的替代方案，有助于推進仿生3D細胞培養(yǎng)研究的進步。

在國內，根據3D科學谷的市場研究，浙江大學、中科院大連化物所、大連理工大學等在微流控芯片領域頗有建樹。其中，大連化物所微流控芯片研究團隊利用工程學原理和多學科集成手段已構建了一系列功能化器官芯片系統(tǒng)，建立了肝、腎、腸、血腦屏障等縮微類器官模型以及多器官集成芯片體系，并開始用于生物學研究、毒性測試和干細胞等領域。

浙江大學賀永及其研究團隊提出了一種基于毛細驅動的3D打印微流控芯片（μ3DPADs），其無泵驅動的特點與現有的紙基微流控芯片（Paper-Based Microfluidic Analytical Devices，μPADs）類似。通過3D打印可以將2D的紙基微流控芯片擴展到3D尺度。維數的增大帶來的優(yōu)勢是可通過調控其流道深度來實現流速的可控（流場的可編程）。一系列的實驗證實該芯片可以是目前2D紙基微流控芯片的有效補充，該芯片適合于希望以無驅方式簡化流體驅動的同時又希望能實現一些復雜的流動控制。

在國外，Dolomite是一家世界級微流控創(chuàng)新公司。2016年3月15日，Dolomite在西班牙馬德里發(fā)布了一臺創(chuàng)新型3D打印設備Fluidic Factory，它可以用于微流控和芯片實驗室的3D打印。Fluidic Factory是全球第一臺可以打印流體密封裝置的商用3D打印機，能夠提供快速、簡便、可靠的打印服務，每片芯片的打印成本僅需1美元。所用3D打印材料是經美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準的一種堅固且半透明的材料，名為環(huán)烯烴共聚物（COC），對3D打印設備而言，這種材料容易獲取而且價格便宜，幾乎適用于所有應用。

此外，Optomec氣溶膠噴射技術可3D打印微米級智能結構，該技術將應用于電子和生物醫(yī)藥行業(yè)，在開發(fā)成本更低、尺寸更小的下一代產品方面擁有巨大的應用前景。

除了弗吉尼亞理工大學-維克森林大學，在微流控芯片領域活躍的科研機構不在少數。美國康涅狄格大學等機構的科學家在Towards Single-Step Biofabrication of Organs on a Chip via 3D Printing（通過3D打印技術進行器官生物芯片的一步制造）一文中描述到，傳統(tǒng)的微流控芯片制造技術是勞動密集型的產業(yè)，不利于實驗室進行芯片設計的快速迭代和快速制造。將3D打印技術用于制造微流控生物芯片則可以在幾個小時內實現微型流體通道的快速制造，有利于設計的快速迭代，提高了基于微流控研究的跨學科性，并加速創(chuàng)新。

生物3D打印技術在制造復雜3D人體組織結構方面具有潛力。微流控系統(tǒng)可以為3D 組織提供營養(yǎng)、氧氣和生長因子。未來，先進的生物3D打印機不僅可以打印微流控平臺，還可以同時在微流控平臺中直接打印出定制化的微觀人體組織。

而關于微小器件的陶瓷打印方面，之前，德國Fraunhofer陶瓷技術研究所和IKTS 系統(tǒng)研究所研發(fā)了一項3D打印新技術，不僅可以打印骨科植入物、假牙、手術工具等醫(yī)療產品，還可以打印微反應器這樣非常復雜、微小部件。Fraunhofer打印的陶瓷微反應器，包含了眾多復雜的微型通道以及兩根液體連接管。微反應器中的復雜結構以及反應器內部、外部的密封性對傳統(tǒng)技術挑戰(zhàn)極大，而通過陶瓷3D打印技術，可以制造出一個整體式的反應器。

來源：3D科學谷