基于3D打印的微流控芯片模块化快速制造

摘要：微流控芯片作为集成化学、生物领域中的样片制备，检测分析及细胞培养等功能的平台，在当今的医学研究中具有广阔的发展前景。而目前基于传统技术的3D微流控芯片加工面临加工周期长，制造成本高，芯片功能结构单一的问题,如果能够在短时间内基于实验方案个体化定制3D微流控芯片，将会为生物医学研究，尤其是体外微环境构建研究提供高效工具。浙江大学浙江省三维打印工艺与装备重点实验室贺永、傅建中教授团队经过两年多的研究探索，提出了一种基于模块化结构设计的3D微流控芯片定制工艺，该工艺能实现基于芯片功能设计的微流控芯片快速制造。本工艺结合生物制造技术，可以快速制造器官芯片，为后续芯片上不同器官的集成模拟提供了一种可行方案。本研究受到国家基金联合基金-浙江省两化融合重点项目、国家优秀青年基金、浙江省杰出青年基金项目资助。

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   3D微流控芯片的制造方法一直是微加工领域的研究热点，常见的方法包括：传统技术加工2D结构层叠得到3D芯片，3D打印技术直接制造3D微流控芯片和预先制造芯片模组组装3D芯片。虽然这些方法制造得到的3D微流控芯片在一定程度上可以满足实验需求，但是它们无法兼顾医学研究中对芯片材料生物兼容性和芯片制造快速简便的要求，故对于不同的实验环境和实验要求，这些方法制造的3D芯片结构和功能需要不断优化及改进，影响芯片内细胞、组织的培养和检测，进而延长实验周期。

 我们课题组提出了一种全新的3D微流控芯片制造方法，其特点是根据实验需求快速组装芯片模块，在保证生物兼容性的前提下实现3D微流控芯片的快速重构。通过课题组前期自行研发的糖打印机，利用糖挤出喷头制造流道图案，浇注PDMS固化后翻模得到PDMS基的芯片模组。根据实验需求设计，将不同功能的PDMS芯片模组及柔性电路、生物支架等附属部件整合，利用快速可逆封装的技术构建完整功能的3D微流控芯片。不同功能的芯片设计只需依据设计更换不同功能的模组即可。通过大量的工艺实验，系统解决了PDMS模组的成型问题；通过芯片重构实验演示了基于功能设计的芯片快速定制；并通过后续的细胞培养、细胞氧化应激损伤及器官芯片快速构建展示了该方法在生物医学应用中的可能性。

图1  基于模块化结构设计的3D微流控芯片快速制造原理图

图2  一种适于生物医学应用的集成芯片的快速制造

图3  基于功能设计的微流控芯片快速重构

图4  快速定制芯片内的细胞培养研究

图5  快速定制芯片内的细胞氧化应激损伤研究

图6  器官芯片的快速构建研究

目前该成果已在ACS旗下的ACS Biomaterials Science& Engineering期刊发表，题为“Rapid Customization of 3D Integrated Microfluidic Chips via Modular Structure-BasedDesign”，DOI: 10.1021/acsbiomaterials.7b00401。