研究人員利用3D打印為微流體技術(shù)打開了新的大門

來(lái)源： 江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：在工程學(xué)中兩個(gè)最熱門的領(lǐng)域相交的地方，蒙大拿州立大學(xué)的研究人員在字面上取得了很小的突破，但是這一突破可能對(duì)廣泛的應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響。

增材制造（AM）成為制造流體設(shè)備的一種越來(lái)越可行的選擇。諸如立體光刻（SLA）和數(shù)字光處理（DLP）之類的還原聚合印刷（VPP）由于具有高分辨率，因此是創(chuàng)建3D打印微流體的流行技術(shù)。3D打印可在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件中一步創(chuàng)建高通量的流體設(shè)備，并直接進(jìn)行設(shè)備參數(shù)調(diào)整。只需共享設(shè)計(jì)文件，就可以在不同的設(shè)施中分發(fā)和復(fù)制設(shè)計(jì)和設(shè)備。在本文中，由來(lái)自美國(guó)蒙大拿州立大學(xué)Stephan Warnat助理教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)展示了玻璃上的微型傳感器與高分辨率3D打印技術(shù)的集成，這種利用3D打印技術(shù)制造微流體設(shè)備的新方法包括操縱非常小體積的液體進(jìn)行測(cè)量水質(zhì)或者研究微生物等等。

玻璃基板是使用高分辨率印刷技術(shù)（例如上述VPP或材料噴射）創(chuàng)建光學(xué)透明通道的可行方法，但是傳感器集成通常需要多步集成過(guò)程。在該研究中，基于玻璃的阻抗電導(dǎo)率傳感器直接與3D打印流動(dòng)通道集成在一起，作為概念驗(yàn)證設(shè)備。該設(shè)備顯示出可以同時(shí)用作電導(dǎo)率傳感器和細(xì)菌細(xì)胞檢測(cè)器。這是通過(guò)在不使用DLP樹脂打印機(jī)的基底層的情況下，直接在帶有圖案化電極的玻璃基板上進(jìn)行打印來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

微流體裝置內(nèi)的光學(xué)透明表面對(duì)于準(zhǔn)確定量化學(xué)、生物學(xué)和機(jī)械相互作用至關(guān)重要。但是，盡管與傳統(tǒng)技術(shù)相比3D打印微流體樣機(jī)具有制造靈活性，3D打印樹脂也會(huì)由于表面粗糙度和缺陷而產(chǎn)生半透明的通道。盡管理論上使用透明樹脂可以創(chuàng)建透明設(shè)備，但固有的表面缺陷會(huì)導(dǎo)致光擴(kuò)散，從而形成半透明通道。

圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

Warnat和他的團(tuán)隊(duì)使用新方法演示了他們可以在玻璃上直接進(jìn)行3D打印，以形成包含液體的細(xì)通道（寬不到1毫米）。新工藝大大減少了制造時(shí)間，并使研究人員能夠在他們的實(shí)驗(yàn)室中輕松生產(chǎn)出價(jià)格合理的定制設(shè)備原型——微流控芯片。Warnat表示從生產(chǎn)開始到最終測(cè)試，整個(gè)轉(zhuǎn)變可能需要一天的時(shí)間。他估計(jì)使用新方法制造典型芯片的材料成本約為1美元。

本工作中使用的微加工傳感器的圖像

Michael Neubauer是蒙大拿州立大學(xué)的一名研究生，他與Warna合著了這篇文章，他利用蒙大拿微制造工廠制造了金屬傳感器，他形容這些傳感器看起來(lái)像是可以測(cè)量電流變化的聯(lián)鎖手指，以檢測(cè)水中的某些礦物質(zhì)。

Warnat本人計(jì)劃利用這項(xiàng)新技術(shù)，進(jìn)一步開發(fā)新的、更廉價(jià)的微型傳感器，用于測(cè)量河流和土壤中的水質(zhì)。他的項(xiàng)目是MSU獲得5萬(wàn)美元“種子”資助的三個(gè)項(xiàng)目之一，該資助是去年通過(guò)環(huán)境水系統(tǒng)研究聯(lián)合會(huì)(CREWS)授予的，該聯(lián)合會(huì)在2019年早些時(shí)候從國(guó)家科學(xué)基金會(huì)獲得了2000萬(wàn)美元�？唆斔寡芯糠N子獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃旨在資助創(chuàng)新研究在蒙大拿州的高等教育機(jī)構(gòu)中建立研究能力。

MSU生物膜工程中心的其他MSU研究人員表示有興趣將這種新技術(shù)用于各種涉及微生物的研究項(xiàng)目。一直與沃納特團(tuán)隊(duì)合作的化學(xué)與生物工程系教授克里斯汀福爾曼(Christine Foreman)表示:“這些傳感器成本低、體積小，非常適合在需要在多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行大量測(cè)量的環(huán)境和工業(yè)應(yīng)用中使用�！�

機(jī)械和工業(yè)工程部門的負(fù)責(zé)人丹·米勒說(shuō)：“將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于眾多學(xué)科的研究確實(shí)有很多機(jī)會(huì)。未來(lái)的研究正在這些跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行，因此，Warnat處于領(lǐng)先地位�！�

Stephan Warnat（左）和博士生Michael Neubauer在他們的實(shí)驗(yàn)室中研究帶有嵌入式傳感器的3D打印微流體芯片。圖片來(lái)源：Adrian Sanchez-Gonzalez

Warnat表示生物膜工程中心的協(xié)作性質(zhì)，加上蒙大納州微制造設(shè)施的功能，有助于激發(fā)和支持3D打印技術(shù)的發(fā)展。并且對(duì)這一成就的反應(yīng)也非常令人鼓舞。

新發(fā)現(xiàn)允許將傳感器直接3D打印在運(yùn)動(dòng)器官上

本文來(lái)源：DOI: 10.1088/2631-8695/ab5e9f