3D打印类乐高积木式模块化微流控芯片

3D printed Lego®-like modular microfluidic devices based on capillary driving，Biofabrication，DOI: 10.1088/1758-5090/aaadd3

3D Printed Lego-like Modular Microfluidic Devices Based on Capillary Driving.pdf

微流控芯片为许多研究领域提供了一个便携式和自动化的平台，包括分析化学，生物化学分析，生物医学研究和材料合成。微流控芯片还可为研究细胞共培养，细胞代谢活动，细胞间相互作用和药物代谢机制提供了一个便利的平台。由于传统的微流控芯片都采用泵驱动，对微流道而言，需要很大的压力才能驱动，这就使得现有结构的微流控芯片进行模块化封装时容易出现泄漏。浙江大学机械工程学院的贺永教授团队经过两年多的研究探索，提出了一种基于毛细驱动的模块化微流控芯片制造新方法，通过3D打印的方式可方便的打印芯片的各个模块，然后通过在微流道内填充具有毛细效应的纤维素粉，使其具有毛细自驱动功能。这个方法的优势在于对模块间的组装精度要求低，使用普通的桌面式3D打印机就可制造，打印出类乐高积木式的芯片模块，然后可很方便的组装起来，组装后模块化芯片也无需泵即可驱动。我们演示了模块化微流控芯片在生物反应器、液态电路、器官模型构建等方面的应用。本研究受到国家优秀青年基金、浙江省杰出青年基金项目资助。

近来出现了由各个功能模块组装而成的模块化微流控芯片。每个模块在被集成到微流控系统之前可以分别设计，制造和修改。模块化微流体的制造包括微细加工方法和3D打印技术。现有模块化微流控应用的主要挑战在于准确对齐和严格密封，以确保组装后模块间无泄漏且流体互通，使其对制造精度要求很高。

浙江大学浙江省三维打印工艺与装备重点实验室研究人员提出了一种新型毛细驱动的模块化微流控系统，其特点是可以根据特定需求选取特定基本功能模块实现特定结构的拼装，其开放的结构使得易于整合各种支架和反应物，且没有必要进行严格的密封或对齐。采用3D打印机打印不同的功能模块，通过类乐高式的统一接头拼装，然后用具有毛细效应的材料填充微流道，即可实现。这种可快速重建的模块化微流体装置由基本功能模块和其他个性化模块组成，每个模块都有统一的标准接口，便于组装。通过桌面3D打印机打印，制造过程简单高效，并且可以方便地控制流道尺寸。通过不同模块的多种组合，可以实现多种不同的功能，而无需重复制造过程。单个模块也可以取出来进行测试和分析。课题组通过一系列探索，选定了适合的毛细填充材料，并进行了一系列流量流道尺寸标定实验，为流场可编程提供基础；通过几个简单电路实验，证明了系统用于液态电路的潜能；通过骨支架的降解实验展示了系统作为生物反应器的能力；通过一系列细胞培养及表征实验，揭示了系统在生物医学应用中的可行性。

本方法的优点有：

1、拼装好的微流控设备借助毛细力实现连续灌注，无需借助注射泵。这种新型无泵型微流体装置具有开放通道，便于将反应物沉积在所需区域，同时避免泄漏和压力问题；

2、基于低成本3D打印机制作各个基本功能模块，制造过程简单高效，方便控制流道尺寸，具有良好的流量可编程性；

3、各基本模块具有标准化统一接口便于拼装，并逐渐组成一个模块库，可以重复使用，研究人员可以根据实际需要选择相应的模块并进行简单组装，通过不同模块的多种组合，可以实现多种不同功能，而无需重复制造过程。单个模块也可以取出来进行测试和分析；

4、该系统展现出良好的生物相容性。

图1.模块化微流体装置制造过程示意图

图2 不同的流动行为操控

图3.几种典型的芯片模块

图4.模块化芯片的细胞培养