3D打印陶瓷微系統(tǒng)推進(jìn)微流控芯片或人體器官芯片應(yīng)用

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。

人體器官芯片（organs-on-a-chip）是近幾年發(fā)展起來的一種新興前沿交叉學(xué)科技術(shù),，它以前所未有的方式見證機(jī)體的多種生物學(xué)行為,，在新藥發(fā)現(xiàn)、疾病機(jī)制和毒性預(yù)測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景,。

馬德里自治大學(xué)和陶瓷3D打印公司Lithoz聯(lián)合開發(fā)了復(fù)雜的3D打印陶瓷微系統(tǒng),，可以推進(jìn)芯片實(shí)驗(yàn)室和人體芯片器官的開發(fā)與應(yīng)用。開發(fā)團(tuán)隊(duì)表示,，其3D打印陶瓷器件標(biāo)志著生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的突破,。

使用Lithoz的CeraFab 7500機(jī)器（一種基于光刻的增材制造系統(tǒng)）將陶瓷材料與光敏樹脂混合3D打印出來，這種八邊形的芯片被打印出來后,，通過燒結(jié)去除樹脂,，將陶瓷顆粒熔合在一起成為固體件,。這一步很重要，因?yàn)樗�可以達(dá)到芯片所需要的密封材料生物醫(yī)學(xué)性能要求（以防止活體材料的泄漏）,。根據(jù)研究人員,，這種3D打印的陶瓷芯片顯示了將陶瓷材料用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力，因?yàn)樗鼈儽炔ＡЩ蛩芰暇哂懈�高的�?qiáng)度和更好的耐溫性,。

3D打印陶瓷微系統(tǒng)是一次性成型的,，這意味著它不需要任何組件，也無需零部件維護(hù),。作為其結(jié)構(gòu)的一部分,，復(fù)合微系統(tǒng)整合了多孔膜，用來分離不同水平的細(xì)胞培養(yǎng)室,，類似于transwell的功能,。

根據(jù)論文，復(fù)合微系統(tǒng)還包括通過懸臂陶瓷膜連接的通道網(wǎng)絡(luò),。 3D科學(xué)谷了解到這種微流體系統(tǒng)具有復(fù)雜的特征,，集成度很高，整體部件尺寸緊湊,，細(xì)節(jié)水平精湛,。

總體而言，3D打印陶瓷微系統(tǒng)可以為更復(fù)雜的細(xì)胞培養(yǎng)測試裝置提供有效和相對簡單的替代方案,，有助于推進(jìn)仿生3D細(xì)胞培養(yǎng)研究的進(jìn)步,。

在國內(nèi)，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究,，浙江大學(xué),、中科院大連化物所、大連理工大學(xué)等在微流控芯片領(lǐng)域頗有建樹,。其中,，大連化物所微流控芯片研究團(tuán)隊(duì)利用工程學(xué)原理和多學(xué)科集成手段已構(gòu)建了一系列功能化器官芯片系統(tǒng)，建立了肝,、腎,、腸、血腦屏障等縮微類器官模型以及多器官集成芯片體系,，并開始用于生物學(xué)研究,、毒性測試和干細(xì)胞等領(lǐng)域。

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)動的3D打印微流控芯片（μ3DPADs）,，其無泵驅(qū)動的特點(diǎn)與現(xiàn)有的紙基微流控芯片（Paper-Based Microfluidic Analytical Devices,，μPADs）類似。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)動的同時(shí)又希望能實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的流動控制。

在國外,，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。

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。

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。

而關(guān)于微小器件的陶瓷打印方面，之前,，德國Fraunhofer陶瓷技術(shù)研究所和IKTS 系統(tǒng)研究所研發(fā)了一項(xiàng)3D打印新技術(shù),，不僅可以打印骨科植入物、假牙,、手術(shù)工具等醫(yī)療產(chǎn)品,，還可以打印微反應(yīng)器這樣非常復(fù)雜、微小部件,。Fraunhofer打印的陶瓷微反應(yīng)器,，包含了眾多復(fù)雜的微型通道以及兩根液體連接管。微反應(yīng)器中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)器內(nèi)部,、外部的密封性對傳統(tǒng)技術(shù)挑戰(zhàn)極大,，而通過陶瓷3D打印技術(shù)，可以制造出一個(gè)整體式的反應(yīng)器,。

來源：3D科學(xué)谷