芯片上的實(shí)驗(yàn)室，3D打印做了些啥？

芯片上的實(shí)驗(yàn)室-微流控芯片技術(shù)(Microfluidics)是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、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(dòng)完成分析全過程。由于它在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。

需要強(qiáng)注意的是目前媒體普遍認(rèn)為的生物芯片（micro-arrays），如，基因芯片、蛋白質(zhì)芯片等只是微流量為零的點(diǎn)陣列型雜交芯片，功能非常有限，屬于微流控芯片的特殊類型，微流控芯片具有更廣泛的類型、功能與用途。

微流控芯片具有液體流動(dòng)可控、消耗試樣和試劑極少、分析速度成十倍上百倍地提高等特點(diǎn),它可以在幾分鐘甚至更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行上百個(gè)樣品的同時(shí)分析,并且可以在線實(shí)現(xiàn)樣品的預(yù)處理及分析全過程。3D打印的一個(gè)技術(shù)趨勢是走向微小，本期，3D科學(xué)谷與谷友一起來盤點(diǎn)下3D打印在微流控芯片技術(shù)領(lǐng)域做了些啥？

芯片上的微型實(shí)驗(yàn)室

3D打印基于毛細(xì)驅(qū)動(dòng)的微流控芯片
浙江大學(xué)賀永及其研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于毛細(xì)驅(qū)動(dòng)的3D打印微流控芯片（μ3DPADs），其無泵驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)與現(xiàn)有的紙基微流控芯片（Paper-Based Microfluidic Analytical Devices，μPADs）類似。

對于紙基微流控芯片來說，毛細(xì)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是不需要外界泵驅(qū)動(dòng)，體積小，成本低，非常適合于Point-of-Care（POC）系統(tǒng)等資源緊缺的應(yīng)用場合。但毛細(xì)驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是流動(dòng)場都被動(dòng)的由毛細(xì)力控制，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的流動(dòng)控制及流場的可編程。通過3D打印可以將2D的紙基微流控芯片擴(kuò)展到3D尺度。維數(shù)的增大帶來的優(yōu)勢是我們可通過調(diào)控其流道深度來實(shí)現(xiàn)流速的可控（流場的可編程）。

一系列的實(shí)驗(yàn)證實(shí)該芯片可以是目前2D紙基微流控芯片的有效補(bǔ)充，該芯片適合于希望以無驅(qū)方式簡化流體驅(qū)動(dòng)的同時(shí)又希望能實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的流動(dòng)控制。

Dolomite打印微流控芯片的3D打印機(jī)
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(shè)備Fluidic Factory，它可以用于微流控和芯片實(shí)驗(yàn)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(jī)，能夠提供快速、簡便、可靠的打印服務(wù)，每片芯片的打印成本僅需1美元。所用3D打印材料是經(jīng)美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)的一種堅(jiān)固且半透明的材料，名為環(huán)烯烴共聚物（COC），對3D打印設(shè)備而言，這種材料容易獲取而且價(jià)格便宜，幾乎適用于所有應(yīng)用。

Fluidic Factory的設(shè)計(jì)易于使用，可以讓流體密封裝置快速成型，如芯片、傳感器分析盒、流管、閥、連接器和醫(yī)療器械。它所配備的智能軟件和創(chuàng)新型硬件確保了流道的密閉性，并允許用戶創(chuàng)建精確的幾何通道和多樣化的功能，這對刻蝕、壓印、注塑和機(jī)械加工技術(shù)而言是不可能完成的任務(wù)。

用戶可以從Fluidic Factory的設(shè)計(jì)庫中選擇現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，或使用任何CAD軟件來創(chuàng)造并打印獨(dú)一無二的芯片。因?yàn)樵O(shè)計(jì)完全靈活，F(xiàn)luidic Factory具有非常廣泛的應(yīng)用，包括器官芯片、即時(shí)診斷、藥物研發(fā)、教育、化學(xué)合成和分析以及生物醫(yī)學(xué)測定等領(lǐng)域。

此外，Optomec氣溶膠噴射技術(shù)可3D打印微米級智能結(jié)構(gòu)，該技術(shù)將應(yīng)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(chǎn)品方面擁有巨大的應(yīng)用前景。

3D打印結(jié)合微流控芯片加速藥物檢測
弗吉尼亞理工大學(xué)-維克森林大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院和科學(xué)研究所以及再生醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)的助理教授Aleksander Skardal博士和Adam R Hall博士通過3D打印結(jié)合微流控芯片加速藥物檢測。

具體來說，科學(xué)家們建立了一個(gè)三維裝置，將肝細(xì)胞包圍在一個(gè)可以模仿ECM的生物聚合物中。肝細(xì)胞被UV交聯(lián)水凝膠溶液混合在一起，放入裝置內(nèi)，實(shí)施定域光聚合技術(shù)，在原位生成組織結(jié)構(gòu)。使用水凝膠是因?yàn)樗�能“特殊模仿自然ECM的特性，”根據(jù)研究顯示。該結(jié)構(gòu)在裝置內(nèi)可保持7天穩(wěn)定。

研究人員隨后用0-500mM的乙醇，與上述結(jié)構(gòu)混合進(jìn)行毒理學(xué)分析。研究人員發(fā)現(xiàn)，乙醇的量對細(xì)胞活力有系統(tǒng)的影響。此外，對肝功能的分析評估表明，增加乙醇暴露后，人體血清白蛋白和尿素的輸出量有顯著減少。

除了弗吉尼亞理工大學(xué)-維克森林大學(xué)，在微流控芯片領(lǐng)域活躍的科研機(jī)構(gòu)不在少數(shù)。美國康涅狄格大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家在Towards Single-Step Biofabrication of Organs on a Chip via 3D Printing（通過3D打印技術(shù)進(jìn)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(shù)是勞動(dòng)密集型的產(chǎn)業(yè)，不利于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的快速迭代和快速制造。將3D打印技術(shù)用于制造微流控生物芯片則可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)微型流體通道的快速制造，有利于設(shè)計(jì)的快速迭代，提高了基于微流控研究的跨學(xué)科性，并加速創(chuàng)新。

生物3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜3D人體組織結(jié)構(gòu)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(jìn)的生物3D打印機(jī)不僅可以打印微流控平臺，還可以同時(shí)在微流控平臺中直接打印出定制化的微觀人體組織，請關(guān)注南極熊3d打印網(wǎng)。

來源：3d科學(xué)谷
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