芯片上的實驗室，3D打印做了些啥？

芯片上的實驗室-微流控芯片技術(shù)(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(jīng)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。

需要強注意的是目前媒體普遍認為的生物芯片（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,它可以在幾分鐘甚至更短的時間內(nèi)進行上百個樣品的同時分析,并且可以在線實現(xiàn)樣品的預處理及分析全過程。3D打印的一個技術(shù)趨勢是走向微小，本期，3D科學谷與谷友一起來盤點下3D打印在微流控芯片技術(shù)領域做了些啥？

芯片上的微型實驗室

3D打印基于毛細驅(qū)動的微流控芯片
浙江大學賀永及其研究團隊提出了一種基于毛細驅(qū)動的3D打印微流控芯片（μ3DPADs），其無泵驅(qū)動的特點與現(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，毛細驅(qū)動的優(yōu)點是不需要外界泵驅(qū)動，體積小，成本低，非常適合于Point-of-Care（POC）系統(tǒng)等資源緊缺的應用場合。但毛細驅(qū)動的缺點是流動場都被動的由毛細力控制，無法實現(xiàn)復雜的流動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)控其流道深度來實現(xiàn)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(qū)方式簡化流體驅(qū)動的同時又希望能實現(xiàn)一些復雜的流動控制。

Dolomite打印微流控芯片的3D打印機
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(jīng)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。

Fluidic Factory的設計易于使用，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、注塑和機械加工技術(shù)而言是不可能完成的任務。

用戶可以從Fluidic Factory的設計庫中選擇現(xiàn)有的設計，或使用任何CAD軟件來創(chuàng)造并打印獨一無二的芯片。因為設計完全靈活，F(xiàn)luidic Factory具有非常廣泛的應用，包括器官芯片、即時診斷、藥物研發(fā)、教育、化學合成和分析以及生物醫(yī)學測定等領域。

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-維克森林大學生物醫(yī)學工程學院和科學研究所以及再生醫(yī)學機構(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，科學家們建立了一個三維裝置，將肝細胞包圍在一個可以模仿ECM的生物聚合物中。肝細胞被UV交聯(lián)水凝膠溶液混合在一起，放入裝置內(nèi)，實施定域光聚合技術(shù)，在原位生成組織結(jié)構(gòu)。使用水凝膠是因為它能“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)混合進行毒理學分析。研究人員發(fā)現(xiàn)，乙醇的量對細胞活力有系統(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-維克森林大學，在微流控芯片領域活躍的科研機構(gòu)不在少數(shù)。美國康涅狄格大學等機構(gòu)的科學家在Towards Single-Step Biofabrication of Organs on a Chip via 3D Printing（通過3D打印技術(shù)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(shù)是勞動密集型的產(chǎn)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(shù)用于制造微流控生物芯片則可以在幾個小時內(nèi)實現(xiàn)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(shù)在制造復雜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，請關注南極熊3d打印網(wǎng)。

來源：3d科學谷
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