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导读: 3D打印经常用于微流控技术,用于处理操纵和控制微小通道中亚毫米级别的流体流动。研究人员已经开发出许多微流控装置以辅助细胞分析,医疗领域因此得以受益。

Polyjet 3D打印技术助力研发出能够分选不同尺寸单细胞的微流控装置

组装后的微流控芯片的PDMS顶层和底层

3D打印经常用于微流控技术,用于处理操纵和控制微小通道中亚毫米级别的流体流动。研究人员已经开发出许多微流控装置以辅助细胞分析,医疗领域因此得以受益。据麦姆斯咨询报道,来自萨斯喀彻温大学(University of Saskatchewan)的Annal Arumugam Arthanari Arumugam发表了一篇题为《基于滑动原理帮助分选不同尺寸细胞潜在应用的微流控装置》的毕业论文,专注于一种全新的微流控装置设计概念,称为滑动原理。

论文中,Arumugam表示,虽然大多数微流控装置都可以捕获、分离、定位和分选单个细胞,但大多数只能用于相同尺寸的细胞。可调谐微流控装置可用于捕获和分选尺寸为20至30μm的单个细胞,但是许多应用所需的尺寸范围为2 μm至100 μm,甚至范围更大。

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测试通道间距的实验装置

论文陈述指出“本文首先对用于捕获和分选单细胞装置的不同工作原理展开分析,试图找出问题解决方案。作为结果,本文提出了一种新的原理,用于对尺寸范围在2 μm至100 μm之间的单细胞进行分选,该原理被称为‘滑动原理’。为了验证该原理的有效性,研究人员基于该原理设计了一种包含微捕获器或微孔的装置,该装置的设计和制造使用了软光刻技术,其中的模具则使用3D打印技术制造。研究人员用显微镜(分辨率:1-3μm)和移动平台(分辨率:1μm)展开实验,证明了该装置可以适应微孔捕获器的尺寸,范围从0-1000μm并完全可以覆盖所需微孔的尺寸范围(例如:2-100μm)。根据目前关于用一种装置捕获和分选不同尺寸单细胞的机械方法的文献,基于滑动原理构建的装置有望适用于捕获并分选不同尺寸的单细胞。”

该装置的整体功能要求(function requirement,FR)是能够捕获不同尺寸的细胞,从2 μm到100μm,分辨率为2-5μm,子功能要求包括:

* 形成滑动对,使捕获器随滑动改变尺寸大小

* 能够运行一款滑动捕获器

* 泵送细胞液流过捕获器

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可调节捕获器的滑动原理(a)捕获器是一个有四边可滑动的正方形;(b)滑动某一边以改变捕获器尺寸

会接触到细胞的微流控装置必须由生物相容性材料制成,细胞中的最大应力应该小于4.5 Pa,滑动调整范围小于1000 μm。Arumugam为他的滑动捕获器考虑了两种设计选择,但第一种没有成功,因为两个块的接触面不够平滑,块与块之间无法平滑滑动,并且有可能会导致泄漏。因此他转而专注于第二种设计选择。

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Arumugam解释道,“这种设计分为两层(顶层和底层),每一层都有几个微孔(然而,本论文只设计了一个微孔,但不失一般性),微孔形状为正方形。具体而言,在顶层,正方形是一个具有突出部分的凸面,底层的正方形则是凹面。当两层组装在一起时(顶层在底层之上),它们就形成一个系统……”

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顶层块的驱动装置

导轨、支架、顶层块和底层块,由PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成的嵌入层构成驱动装置;移动分辨率约为3 um的单个轴向平台由835刚性不透明白色材料制成,有助于驱动顶层块。Arumugam使用Polyjet 3D打印技术为PDMS部分制作模具。

在测试设计时,该装置被测量以查看是否符合“几何和拓扑装置设计规范”,研究人员也测量了滑动操作以“检验微孔的变化”。

PDMS层的测量值令人满意,表明了滑动原理概念确实有效,PDMS层的侧面有轻微侵蚀现象,使得通道间距不太精确;造成损坏的原因是粘性PDMS在固化过程中没有从模具上剥离干净。

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用于PDMS层的3D打印模具和滑动组件,由该大学澳门威尼斯人线上娱乐场工作室制造

Arumugam补充道,“在最初的几次实验尝试中,PDMS没有固化好,PDMS层(注塑件)粘在模具上,并在剥离过程中受损。为了解决这个问题,我们将3D打印模具在烤箱中以85°C预烘烤4小时,然后再进行PDMS层的固化。然而,问题并没有完全消失。该问题会导致注塑件在尺寸方面的不精确性(误差约为2um),同样也会导致表面损坏。分辨率问题部分可归因为通道尺寸为1mm。通道尺寸会影响到显微镜的聚焦,进而影响被视图覆盖的像素数量,最终影响像素分辨率,尤其是像素长度变成了8.547 um。假设最大通道尺寸为100 μm,测量分辨率就会变成0.855 um。”

作者也列举了一些有助于推进微流控装置技术的工作,例如优化PDMS通道的制造和进一步修改他的设计。

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