比利時(shí)魯汶大學(xué)用3D打印快技術(shù)開(kāi)發(fā)速診斷的微流體裝置

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

COVID-19疫情使每個(gè)人都意識(shí)到快速診斷的重要性,。自3月底以來(lái),，比利時(shí)允許在藥房進(jìn)行自測(cè)。該自檢是所謂的橫向流動(dòng)測(cè)試,。來(lái)自比利時(shí)魯汶大學(xué)（KU Leuven）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種3D打印技術(shù),，該技術(shù)擴(kuò)展了橫向流動(dòng)測(cè)試的可能性。這些測(cè)試以經(jīng)典的妊娠測(cè)試和COVID-19自我測(cè)試的形式廣泛傳播,。利用新的打印技術(shù),，可以進(jìn)行快速，廉價(jià)且易于使用的高級(jí)診斷測(cè)試,。

當(dāng)無(wú)法使用設(shè)備齊全的分析實(shí)驗(yàn)室時(shí),，在患者現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速診斷測(cè)試（即所謂的“即時(shí)診斷”("point‐of‐care", POC）測(cè)試）至關(guān)重要。在發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家,，POC診斷通過(guò)及早診斷可治療的疾病并應(yīng)對(duì)急性健康危機(jī),，每年可以挽救數(shù)百萬(wàn)人的生命,。特別是發(fā)展中國(guó)家的診斷應(yīng)該是低成本和一次性的，需要最少的使用者依賴相關(guān)步驟和外部設(shè)備,。長(zhǎng)期以來(lái),，微流體一直承諾將基于實(shí)驗(yàn)室的診斷協(xié)議縮小到芯片上。盡管在該領(lǐng)域取得了成功,，但POC使用的主要限制在于,，致動(dòng)和控制微型芯片中的流體流動(dòng)所需的輔助設(shè)備仍然體積龐大而且依賴于外部電源。

通過(guò)毛細(xì)管芯吸法進(jìn)行的流體輸送消除了對(duì)外部泵的需求,。在家庭妊娠試驗(yàn)中使用的側(cè)向流動(dòng)測(cè)定 (Lateral flow assays, LFAs) 利用這一原理,，使液體樣品通過(guò)多孔的紙狀膜芯吸。盡管它們?cè)诎l(fā)達(dá)國(guó)家和資源匱乏的環(huán)境中都取得了成功,，但許多LFA仍然是定性的,，它們的1D格式不適合需要定時(shí)執(zhí)行步驟的方案的實(shí)施（例如，基于擴(kuò)增的酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定 (enzyme‐linked immunosorbent assays, ELISA) ）,，1D格式使其不適用于需要定量或更高靈敏度的許多應(yīng)用,。為了僅通過(guò)毛細(xì)作用實(shí)現(xiàn)這樣的序列，已提出了幾種方法來(lái)定義層壓多孔膜（通常是紙）內(nèi)的流路,，這些膜分別用疏水性屏障構(gòu)圖或切割成形,。這些基于微流紙的分析設(shè)備(μPADs)無(wú)疑是低成本的，在不影響其流體傳輸性能的情況下,，可靠地層壓可壓縮多孔層仍具有挑戰(zhàn)性,。此外，將它們與其他分立組件（例如,，芯吸墊,、雙面膠帶、纖維素粉末,、夾具）可重復(fù)地組裝在一起并非易事,。由此產(chǎn)生的層間接觸問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障（例如，對(duì)于七層組件而言約為30％）,。由毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)的明渠微流體（通常稱為毛細(xì)管回路）是紙質(zhì)設(shè)備的替代品,。但是，為了達(dá)到激活這些流體芯片中的液體所需的毛細(xì)壓力,，必須通過(guò)光刻技術(shù)以自上而下的方式制造小的部件（≤10μm）,。這種制造方法增加了所得器件的成本，當(dāng)然也增加了制造設(shè)備的成本,。3D打印,，尤其是立體光刻技術(shù)，有望為毛細(xì)管電路提供低成本的制造路線和設(shè)備。但是,，當(dāng)前的分辨率低于光刻技術(shù),，并且尚未證明完全3D印刷的毛細(xì)管現(xiàn)象。

▲3D打印的微流體裝置概念圖

在這里,，來(lái)自比利時(shí)魯汶大學(xué)的研究人員將3D打印作為一種制造整體式無(wú)泵微流控技術(shù)的新穎方法,。迄今為止，3D打印主要用于制造其（通常是復(fù)雜的）幾何形狀決定其功能的物體,，包括在泵驅(qū)動(dòng)的微流體中,。通常，要注意避免在打印體積中出現(xiàn)孔隙,，從而確保其性能與傳統(tǒng)工程材料的數(shù)量可以近似,。相比之下，該研究中的3D打印毛細(xì)血管驅(qū)動(dòng)的微流體設(shè)備具有高度多孔性,，其功能完全來(lái)自對(duì)孔壁表面化學(xué)性質(zhì)的精確空間控制,。

精確打印
研究人員使用3D打印機(jī)制作了3D版本的橫向流動(dòng)測(cè)試�,；�礎(chǔ)是一小塊多孔聚合物,，其中具有特定特性的“油墨”被印刷在精確的位置,。這樣,，就形成了一個(gè)由通道和小“鎖”組成的網(wǎng)絡(luò)，使流量可以在需要的地方和時(shí)間通過(guò)或阻塞,，而無(wú)需移動(dòng)部件,。在測(cè)試過(guò)程中，將自動(dòng)引導(dǎo)樣品執(zhí)行不同的測(cè)試步驟,。這樣,，甚至可以遵循復(fù)雜的協(xié)議。

圖1. 整體毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)微流體設(shè)備的3D打印,。

▲圖解：(A). 粘合劑噴射3D打印通過(guò)使用粘合劑液體交替鋪展一層建筑材料層和噴墨打印對(duì)象切片來(lái)進(jìn)行,。疏水粘合劑（灰色）用于描繪毛細(xì)管流動(dòng)通道（粉紅色），其他顏色表示可能使用多種墨水,。(B). 裂解的多孔3D打印部件中結(jié)合的PMMA顆粒的掃描電子顯微鏡圖像,。圓形標(biāo)記（用箭頭表示）指示將粒子粘合在一起的頸部斷裂的位置。(C). 5％CsI水溶液通過(guò)3D打印部件中的親水通道芯吸的X射線CT可視化,。CsI用于增強(qiáng)水溶液（淺灰色）和PMMA顆粒之間的對(duì)比度,。(D). 頂部：水溶液（藍(lán)色）通過(guò)用于表征毛細(xì)管流動(dòng)的裝置芯吸。為了清楚起見(jiàn),，3D打印的疏水部分顯示為透明,。底部：實(shí)驗(yàn)性芯吸速度和Bosanquet貼合度。背景：藍(lán)色染料溶液在由虛線灰色指示的時(shí)間點(diǎn)通過(guò)親水通道（橫截面積為2×2 mm2）芯吸的光學(xué)圖像。3D打印設(shè)備的輪廓以藍(lán)色虛線表示,。

研究人員評(píng)估了他們的技術(shù),，該技術(shù)可再現(xiàn)用于檢測(cè)免疫球蛋白E（IgE）的ELISA測(cè)試（酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定）。測(cè)量Ig E以診斷過(guò)敏,。在實(shí)驗(yàn)室中,，該測(cè)試需要幾個(gè)步驟，使用不同的漂洗液和改變酸度,。研究團(tuán)隊(duì)能夠使用厚信用卡大小的印刷測(cè)試套件來(lái)運(yùn)行整個(gè)協(xié)議,。

圖2. 3D通道網(wǎng)絡(luò)和流量控制元素。

▲圖解：(A). 具有籃式通道的3D微流體網(wǎng)絡(luò),。為了清楚起見(jiàn),，將3D打印的疏水部分制成透明的。插圖：在不同時(shí)間點(diǎn)的光學(xué)圖像,，顯示了不同顏色的溶液通過(guò)相互交織的親水通道芯吸,。通道的隱藏部分不可見(jiàn)。時(shí)鐘符號(hào)僅是指示性的,。(B) 基于方向流的觸發(fā)閥,。上圖：激活序列的示意圖。藍(lán)色液體芯吸進(jìn)入親水通道,，直到在疏水屏障處停止為止,。僅在黃色液體溶解能夠橋接疏水性屏障的表面活性劑（綠色）后，才繼續(xù)發(fā)生芯吸,。時(shí)鐘符號(hào)僅是指示性的,。中：激活不同階段的光學(xué)圖像。表面活性劑的位置由綠色虛線圓圈表示,。下圖：在彌合疏水間隙之前,，之中和之后，基于X射線CT數(shù)據(jù)的活化過(guò)程的詳細(xì)視圖,。

復(fù)雜性不是成本
3D打印的偉大之處在于,，可以快速調(diào)整測(cè)試的設(shè)計(jì)以適應(yīng)其他協(xié)議，例如,，檢測(cè)癌癥生物標(biāo)志物,。對(duì)于3D打印機(jī)，通道網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)緊要,。3D打印技術(shù)價(jià)格合理且可擴(kuò)展,。Parra博士表示在他們的實(shí)驗(yàn)室中，生產(chǎn)Ig E原型測(cè)試的成本約為1.50美元,，但如果我們擴(kuò)大規(guī)模,，則將不到1美元。該技術(shù)不僅為發(fā)達(dá)國(guó)家提供了更便宜，更快的診斷機(jī)會(huì),，而且在醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施難以獲得且強(qiáng)烈需要負(fù)擔(dān)得起的診斷測(cè)試的國(guó)家中也提供了這種機(jī)會(huì),。

圖3.3D打印機(jī)。(A). 印刷方向示意圖,。(B). 市售的熱敏打印頭HP11,。(C). 修改新的打印頭，卸下流體噴嘴,。(D). 用注射器小心地抽吸墨水,，并按照建議的方案清潔打印頭。(E). 將定制的鋁蓋粘在HP11打印頭上

該研究小組目前正在設(shè)計(jì)自己的3D打印機(jī),，它將比當(dāng)前研究中使用的商業(yè)模型更加靈活,。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的打印機(jī)就像移動(dòng)小型工廠一樣，可以快速生成診斷信息,。然后,，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地加載不同的設(shè)計(jì)文件和油墨來(lái)創(chuàng)建不同類型的測(cè)試。

本文來(lái)源：Clement Achille et al, 3D Printing of Monolithic Capillarity‐Driven Microfluidic Devices for Diagnostics, Advanced Materials (2021). DOI: 10.1002/adma.202008712