Polyjet 3D打印技術助力研發(fā)出能夠分選不同尺寸單細胞的微流控裝置

3D打印經常用于微流控技術，用于處理操縱和控制微小通道中亞毫米級別的流體流動。研究人員已經開發(fā)出許多微流控裝置以輔助細胞分析，醫(yī)療領域因此得以受益。據(jù)南極熊了解，近日，來自薩斯喀徹溫大學（University of Saskatchewan）的Annal Arumugam Arthanari Arumugam發(fā)表了一篇題為《基于滑動原理幫助分選不同尺寸細胞潛在應用的微流控裝置》的畢業(yè)論文，專注于一種全新的微流控裝置設計概念，稱為滑動原理。

組裝后的微流控芯片的PDMS頂層和底層

論文中，Arumugam表示，雖然大多數(shù)微流控裝置都可以捕獲、分離、定位和分選單個細胞，但大多數(shù)只能用于相同尺寸的細胞�？烧{諧微流控裝置可用于捕獲和分選尺寸為20至30μm的單個細胞，但是許多應用所需的尺寸范圍為2 μm至100 μm，甚至范圍更大。

測試通道間距的實驗裝置

論文陳述指出“本文首先對用于捕獲和分選單細胞裝置的不同工作原理展開分析，試圖找出問題解決方案。作為結果，本文提出了一種新的原理，用于對尺寸范圍在2 μm至100 μm之間的單細胞進行分選，該原理被稱為‘滑動原理’。為了驗證該原理的有效性，研究人員基于該原理設計了一種包含微捕獲器或微孔的裝置，該裝置的設計和制造使用了軟光刻技術，其中的模具則使用3D打印技術制造。研究人員用顯微鏡（分辨率：1-3μm）和移動平臺（分辨率：1μm）展開實驗，證明了該裝置可以適應微孔捕獲器的尺寸，范圍從0-1000μm并完全可以覆蓋所需微孔的尺寸范圍（例如：2-100μm）。根據(jù)目前關于用一種裝置捕獲和分選不同尺寸單細胞的機械方法的文獻，基于滑動原理構建的裝置有望適用于捕獲并分選不同尺寸的單細胞�！�

該裝置的整體功能要求（function requirement，F(xiàn)R）是能夠捕獲不同尺寸的細胞，從2 μm到100μm，分辨率為2-5μm，子功能要求包括：
* 形成滑動對，使捕獲器隨滑動改變尺寸大小
* 能夠運行一款滑動捕獲器
* 泵送細胞液流過捕獲器

可調節(jié)捕獲器的滑動原理（a）捕獲器是一個有四邊可滑動的正方形；（b）滑動某一邊以改變捕獲器尺寸

會接觸到細胞的微流控裝置必須由生物相容性材料制成，細胞中的最大應力應該小于4.5 Pa，滑動調整范圍小于1000 μm。Arumugam為他的滑動捕獲器考慮了兩種設計選擇，但第一種沒有成功，因為兩個塊的接觸面不夠平滑，塊與塊之間無法平滑滑動，并且有可能會導致泄漏。因此他轉而專注于第二種設計選擇。

Arumugam解釋道，“這種設計分為兩層（頂層和底層），每一層都有幾個微孔（然而，本論文只設計了一個微孔，但不失一般性），微孔形狀為正方形。具體而言，在頂層，正方形是一個具有突出部分的凸面，底層的正方形則是凹面。當兩層組裝在一起時（頂層在底層之上），它們就形成一個系統(tǒng)……”

頂層塊的驅動裝置

導軌、支架、頂層塊和底層塊，由PDMS（聚二甲基硅氧烷）制成的嵌入層構成驅動裝置；移動分辨率約為3 um的單個軸向平臺由835剛性不透明白色材料制成，有助于驅動頂層塊。Arumugam使用Polyjet 3D打印技術為PDMS部分制作模具。

在測試設計時，該裝置被測量以查看是否符合“幾何和拓撲裝置設計規(guī)范”，研究人員也測量了滑動操作以“檢驗微孔的變化”。

PDMS層的測量值令人滿意，表明了滑動原理概念確實有效，PDMS層的側面有輕微侵蝕現(xiàn)象，使得通道間距不太精確；造成損壞的原因是粘性PDMS在固化過程中沒有從模具上剝離干凈。

用于PDMS層的3D打印模具和滑動組件，由該大學工程工作室制造

Arumugam補充道，“在最初的幾次實驗嘗試中，PDMS沒有固化好，PDMS層（注塑件）粘在模具上，并在剝離過程中受損。為了解決這個問題，我們將3D打印模具在烤箱中以85°C預烘烤4小時，然后再進行PDMS層的固化。然而，問題并沒有完全消失。該問題會導致注塑件在尺寸方面的不精確性（誤差約為2um），同樣也會導致表面損壞。分辨率問題部分可歸因為通道尺寸為1mm。通道尺寸會影響到顯微鏡的聚焦，進而影響被視圖覆蓋的像素數(shù)量，最終影響像素分辨率，尤其是像素長度變成了8.547 um。假設最大通道尺寸為100 μm，測量分辨率就會變成0.855 um。

來源：微流控