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

來源：江蘇激光聯(lián)盟

COVID-19疫情使每個人都意識到快速診斷的重要性。自3月底以來，比利時允許在藥房進行自測。該自檢是所謂的橫向流動測試。來自比利時魯汶大學(xué)（KU Leuven）的研究人員開發(fā)了一種3D打印技術(shù)，該技術(shù)擴展了橫向流動測試的可能性。這些測試以經(jīng)典的妊娠測試和COVID-19自我測試的形式廣泛傳播。利用新的打印技術(shù)，可以進行快速，廉價且易于使用的高級診斷測試。

當無法使用設(shè)備齊全的分析實驗室時，在患者現(xiàn)場進行快速診斷測試（即所謂的“即時診斷”("point‐of‐care", POC）測試）至關(guān)重要。在發(fā)達國家和發(fā)展中國家，POC診斷通過及早診斷可治療的疾病并應(yīng)對急性健康危機，每年可以挽救數(shù)百萬人的生命。特別是發(fā)展中國家的診斷應(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。長期以來，微流體一直承諾將基于實驗室的診斷協(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，致動和控制微型芯片中的流體流動所需的輔助設(shè)備仍然體積龐大而且依賴于外部電源。

通過毛細管芯吸法進行的流體輸送消除了對外部泵的需求。在家庭妊娠試驗中使用的側(cè)向流動測定 (Lateral flow assays, LFAs) 利用這一原理，使液體樣品通過多孔的紙狀膜芯吸。盡管它們在發(fā)達國家和資源匱乏的環(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執(zhí)行步驟的方案的實施（例如，基于擴增的酶聯(lián)免疫吸附測定 (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。為了僅通過毛細作用實現(xiàn)這樣的序列，已提出了幾種方法來定義層壓多孔膜（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)生的層間接觸問題可能會導(dǎo)致設(shè)備故障（例如，對于七層組件而言約為30％）。由毛細作用驅(qū)動的明渠微流體（通常稱為毛細管回路）是紙質(zhì)設(shè)備的替代品。但是，為了達到激活這些流體芯片中的液體所需的毛細壓力，必須通過光刻技術(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)，有望為毛細管電路提供低成本的制造路線和設(shè)備。但是，當前的分辨率低于光刻技術(shù)，并且尚未證明完全3D印刷的毛細管現(xiàn)象。

▲3D打印的微流體裝置概念圖

在這里，來自比利時魯汶大學(xué)的研究人員將3D打印作為一種制造整體式無泵微流控技術(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打印毛細血管驅(qū)動的微流體設(shè)備具有高度多孔性，其功能完全來自對孔壁表面化學(xué)性質(zhì)的精確空間控制。

精確打印
研究人員使用3D打印機制作了3D版本的橫向流動測試�；�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間通過或阻塞，而無需移動部件。在測試過程中，將自動引導(dǎo)樣品執(zhí)行不同的測試步驟。這樣，甚至可以遵循復(fù)雜的協(xié)議。

圖1. 整體毛細管驅(qū)動微流體設(shè)備的3D打印。

▲圖解：(A). 粘合劑噴射3D打印通過使用粘合劑液體交替鋪展一層建筑材料層和噴墨打印對象切片來進行。疏水粘合劑（灰色）用于描繪毛細管流動通道（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用于增強水溶液（淺灰色）和PMMA顆粒之間的對比度。(D). 頂部：水溶液（藍色）通過用于表征毛細管流動的裝置芯吸。為了清楚起見，3D打印的疏水部分顯示為透明。底部：實驗性芯吸速度和Bosanquet貼合度。背景：藍色染料溶液在由虛線灰色指示的時間點通過親水通道（橫截面積為2×2 mm2）芯吸的光學(xué)圖像。3D打印設(shè)備的輪廓以藍色虛線表示。

研究人員評估了他們的技術(shù)，該技術(shù)可再現(xiàn)用于檢測免疫球蛋白E（IgE）的ELISA測試（酶聯(lián)免疫吸附測定）。測量Ig E以診斷過敏。在實驗室中，該測試需要幾個步驟，使用不同的漂洗液和改變酸度。研究團隊能夠使用厚信用卡大小的印刷測試套件來運行整個協(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，將3D打印的疏水部分制成透明的。插圖：在不同時間點的光學(xué)圖像，顯示了不同顏色的溶液通過相互交織的親水通道芯吸。通道的隱藏部分不可見。時鐘符號僅是指示性的。(B) 基于方向流的觸發(fā)閥。上圖：激活序列的示意圖。藍色液體芯吸進入親水通道，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。時鐘符號僅是指示性的。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)的活化過程的詳細視圖。

復(fù)雜性不是成本
3D打印的偉大之處在于，可以快速調(diào)整測試的設(shè)計以適應(yīng)其他協(xié)議，例如，檢測癌癥生物標志物。對于3D打印機，通道網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度無關(guān)緊要。3D打印技術(shù)價格合理且可擴展。Parra博士表示在他們的實驗室中，生產(chǎn)Ig E原型測試的成本約為1.50美元，但如果我們擴大規(guī)模，則將不到1美元。該技術(shù)不僅為發(fā)達國家提供了更便宜，更快的診斷機會，而且在醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施難以獲得且強烈需要負擔(dān)得起的診斷測試的國家中也提供了這種機會。

圖3.3D打印機。(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)計自己的3D打印機，它將比當前研究中使用的商業(yè)模型更加靈活。經(jīng)過優(yōu)化的打印機就像移動小型工廠一樣，可以快速生成診斷信息。然后，可以通過簡單地加載不同的設(shè)計文件和油墨來創(chuàng)建不同類型的測試。

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