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

魔猴君  行業(yè)資訊   2116天前

組裝后的微流控芯片的PDMS頂層和底層

3D打印經(jīng)常用于微流控技術(shù)，用于處理操縱和控制微小通道中亞mm級(jí)別的流體流動(dòng)。研究人員已經(jīng)開發(fā)出許多微流控裝置以輔助細(xì)胞分析，醫(yī)療領(lǐng)域因此得以受益。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，來自薩斯喀徹溫大學(xué)（University of Saskatchewan）的Annal Arumugam Arthanari Arumugam發(fā)表了一篇題為《基于滑動(dòng)原理幫助分選不同尺寸細(xì)胞潛在應(yīng)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(shè)計(jì)概念，稱為滑動(dòng)原理。

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(gè)細(xì)胞，但大多數(shù)只能用于相同尺寸的細(xì)胞。可調(diào)諧微流控裝置可用于捕獲和分選尺寸為20至30μm的單個(gè)細(xì)胞，但是許多應(yīng)用所需的尺寸范圍為2 μm至100 μm，甚至范圍更大。

測(cè)試通道間距的實(shí)驗(yàn)裝置

論文陳述指出“本文首先對(duì)用于捕獲和分選單細(xì)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(jié)果，本文提出了一種新的原理，用于對(duì)尺寸范圍在2 μm至100 μm之間的單細(xì)胞進(jìn)行分選，該原理被稱為‘滑動(dòng)原理’。為了驗(yàn)證該原理的有效性，研究人員基于該原理設(shè)計(jì)了一種包含微捕獲器或微孔的裝置，該裝置的設(shè)計(jì)和制造使用了軟光刻技術(shù)，其中的模具則使用3D打印技術(shù)制造。研究人員用顯微鏡（分辨率：1-3μm）和移動(dòng)平臺(tái)（分辨率：1μm）展開實(shí)驗(yàn)，證明了該裝置可以適應(yīng)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(guān)于用一種裝置捕獲和分選不同尺寸單細(xì)胞的機(jī)械方法的文獻(xiàn)，基于滑動(dòng)原理構(gòu)建的裝置有望適用于捕獲并分選不同尺寸的單細(xì)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(xì)胞，從2 μm到100μm，分辨率為2-5μm，子功能要求包括：

* 形成滑動(dòng)對(duì)，使捕獲器隨滑動(dòng)改變尺寸大小

* 能夠運(yùn)行一款滑動(dòng)捕獲器

* 泵送細(xì)胞液流過捕獲器

可調(diào)節(jié)捕獲器的滑動(dòng)原理（a）捕獲器是一個(gè)有四邊可滑動(dòng)的正方形；（b）滑動(dòng)某一邊以改變捕獲器尺寸

會(huì)接觸到細(xì)胞的微流控裝置必需由生物相容性材料制成，細(xì)胞中的最大應(yīng)力應(yīng)該小于4.5 Pa，滑動(dòng)調(diào)整范圍小于1000 μm。Arumugam為他的滑動(dòng)捕獲器考慮了兩種設(shè)計(jì)選擇，但第一種沒有成功，因?yàn)閮蓚€(gè)塊的接觸面不夠平滑，塊與塊之間沒有辦法平滑滑動(dòng)，并且有可能會(huì)導(dǎo)致泄漏。因此他轉(zhuǎn)而專注于第二種設(shè)計(jì)選擇。

Arumugam解釋道，“這種設(shè)計(jì)分為兩層（頂層和底層），每一層都有幾個(gè)微孔（然而，本論文只設(shè)計(jì)了一個(gè)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(gè)具有突出部分的凸面，底層的正方形則是凹面。當(dāng)兩層組裝在一起時(shí)（頂層在底層之上），它們就形成一個(gè)系統(tǒng)……”

頂層塊的驅(qū)動(dòng)裝置

導(dǎo)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(gòu)成驅(qū)動(dòng)裝置；移動(dòng)分辨率約為3 um的單個(gè)軸向平臺(tái)由835剛性不透明白色材料制成，有助于驅(qū)動(dòng)頂層塊。Arumugam使用Polyjet 3D打印技術(shù)為PDMS部分制作模具。

在測(cè)試設(shè)計(jì)時(shí)，該裝置被測(cè)量以查看是否符合“幾何和拓?fù)溲b置設(shè)計(jì)規(guī)范”，研究人員也測(cè)量了滑動(dòng)操作以“檢驗(yàn)微孔的變化”。

PDMS層的測(cè)量值令人滿意，表明了滑動(dòng)原理概念確實(shí)有效，PDMS層的側(cè)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(dòng)組件，由該大學(xué)工程工作室制造

Arumugam補(bǔ)充道，“在最初的幾次實(shí)驗(yàn)嘗試中，PDMS沒有固化好，PDMS層（鑄塑件）粘在模具上，并在剝離過程中受損。為了解決這個(gè)問題，我們將3D打印模具在烤箱中以85°C預(yù)烘烤4小時(shí)，然后再進(jìn)行PDMS層的固化。然而，問題并沒有完全消失。該問題會(huì)導(dǎo)致鑄塑件在尺寸方面的不精確性（誤差約為2um），同樣也會(huì)導(dǎo)致表面損壞。分辨率問題部分可歸因?yàn)橥ǖ莱叽鐬?mm。通道尺寸會(huì)影響到顯微鏡的聚焦，進(jìn)而影響被視圖覆蓋的像素?cái)?shù)量，最終影響像素分辨率，尤其是像素長(zhǎng)度變成了8.547 um。假設(shè)最大通道尺寸為100 μm，測(cè)量分辨率就會(huì)變成0.855 um。”

作者也列舉了一些有助于推進(jìn)微流控裝置技術(shù)的工作，例如優(yōu)化PDMS通道的制造和進(jìn)一步修改他的設(shè)計(jì)。

來源：中國(guó)3D打印網(wǎng)