浙江大學賀永教授：3D列印類樂高積木式模塊化微流控晶元

最新 03-09

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微流控晶元為許多研究領域提供了一個攜帶型和自動化的平台，包括分析化學，生物化學分析，生物醫學研究和材料合成。微流控晶元還可為研究細胞共培養，細胞代謝活動，細胞間相互作用和藥物代謝機制提供了一個便利的平台。由於傳統的微流控晶元都採用泵驅動，對微流道而言，需要很大的壓力才能驅動，這就使得現有結構的微流控晶元進行模塊化封裝時容易出現泄漏。浙江大學機械工程學院的賀永教授團隊經過兩年多的研究探索，提出了一種基於毛細驅動的模塊化微流控晶元製造新方法，通過3D列印的方式可方便的列印晶元的各個模塊，然後通過在微流道內填充具有毛細效應的纖維素粉，使其具有毛細自驅動功能。這個方法的優勢在於對模塊間的組裝精度要求低，使用普通的桌面式3D印表機就可製造，列印出類樂高積木式的晶元模塊，然後可很方便的組裝起來，組裝後模塊化晶元也無需泵即可驅動。我們演示了模塊化微流控晶元在生物反應器、液態電路、器官模型構建等方面的應用。本研究受到國家優秀青年基金、浙江省傑出青年基金項目資助。

近來出現了由各個功能模塊組裝而成的模塊化微流控晶元。每個模塊在被集成到微流控系統之前可以分別設計，製造和修改。模塊化微流體的製造包括微細加工方法和3D列印技術。現有模塊化微流控應用的主要挑戰在於準確對齊和嚴格密封，以確保組裝後模塊間無泄漏且流體互通，使其對製造精度要求很高。

浙江大學浙江省三維列印工藝與裝備重點實驗室研究人員提出了一種新型毛細驅動的模塊化微流控系統，其特點是可以根據特定需求選取特定基本功能模塊實現特定結構的拼裝，其開放的結構使得易於整合各種支架和反應物，且沒有必要進行嚴格的密封或對齊。採用3D印表機列印不同的功能模塊，通過類樂高式的統一接頭拼裝，然後用具有毛細效應的材料填充微流道，即可實現。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，每個模塊都有統一的標準介面，便於組裝。通過桌面3D印表機列印，製造過程簡單高效，並且可以方便地控制流道尺寸。通過不同模塊的多種組合，可以實現多種不同的功能，而無需重複製造過程。單個模塊也可以取出來進行測試和分析。課題組通過一系列探索，選定了適合的毛細填充材料，並進行了一系列流量流道尺寸標定實驗，為流場可編程提供基礎；通過幾個簡單電路實驗，證明了系統用於液態電路的潛能；通過骨支架的降解實驗展示了系統作為生物反應器的能力；通過一系列細胞培養及表徵實驗，揭示了系統在生物醫學應用中的可行性。

本方法的優點有：

1、拼裝好的微流控設備藉助毛細力實現連續灌注，無需藉助注射泵。這種新型無泵型微流體裝置具有開放通道，便於將反應物沉積在所需區域，同時避免泄漏和壓力問題；

2、基於低成本3D印表機製作各個基本功能模塊，製造過程簡單高效，方便控制流道尺寸，具有良好的流量可編程性；

3、各基本模塊具有標準化統一介面便於拼裝，並逐漸組成一個模塊庫，可以重複使用，研究人員可以根據實際需要選擇相應的模塊並進行簡單組裝，通過不同模塊的多種組合，可以實現多種不同功能，而無需重複製造過程。單個模塊也可以取出來進行測試和分析；

4、該系統展現出良好的生物相容性。