3D打印陶瓷微系统推进微流控芯片或人体器官芯片应用

论恒2017-08-01 13:52

  芯片上的实验室-微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上,自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力,已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

  人体器官芯片(organs-on-a-chip)是近几年发展起来的一种新兴前沿交叉学科技术,它以前所未有的方式见证机体的多种生物学行为,在新药发现、疾病机制和毒性预测等领域具有重要应用前景。

  马德里自治大学和陶瓷3D打印公司Lithoz联合开发了复杂的3D打印陶瓷微系统,可以推进芯片实验室和人体芯片器官的开发与应用。开发团队表示,其3D打印陶瓷器件标志着生物医学领域的突破。

3D打印陶瓷微系统推进微流控芯片或人体器官芯片应用

  使用Lithoz的CeraFab7500机器(一种基于光刻的增材制造系统)将陶瓷材料与光敏树脂混合3D打印出来,这种八边形的芯片被打印出来后,通过烧结去除树脂,将陶瓷颗粒熔合在一起成为固体件。这一步很重要,因为它可以达到芯片所需要的密封材料生物医学性能要求(以防止活体材料的泄漏)。 

3D打印陶瓷微系统推进微流控芯片或人体器官芯片应用

  根据研究人员,这种3D打印的陶瓷芯片显示了将陶瓷材料用于生物医学应用的潜力,因为它们比玻璃或塑料具有更高的强度和更好的耐温性。

3D打印陶瓷微系统推进微流控芯片或人体器官芯片应用

  3D打印陶瓷微系统是一次性成型的,这意味着它不需要任何组件,也无需零部件维护。作为其结构的一部分,复合微系统整合了多孔膜,用来分离不同水平的细胞培养室,类似于transwell的功能。

  根据论文,复合微系统还包括通过悬臂陶瓷膜连接的通道网络。3D科学谷了解到这种微流体系统具有复杂的特征,集成度很高,整体部件尺寸紧凑,细节水平精湛。

  总体而言,3D打印陶瓷微系统可以为更复杂的细胞培养测试装置提供有效和相对简单的替代方案,有助于推进仿生3D细胞培养研究的进步。

  在国内,根据3D科学谷的市场研究,浙江大学、中科院大连化物所、大连理工大学等在微流控芯片领域颇有建树。其中,大连化物所微流控芯片研究团队利用工程学原理和多学科集成手段已构建了一系列功能化器官芯片系统,建立了肝、肾、肠、血脑屏障等缩微类器官模型以及多器官集成芯片体系,并开始用于生物学研究、毒性测试和干细胞等领域。

  浙江大学贺永及其研究团队提出了一种基于毛细驱动的3D打印微流控芯片(μ3DPADs),其无泵驱动的特点与现有的纸基微流控芯片(Paper-BasedMicrofluidicAnalyticalDevices,μPADs)类似。通过3D打印可以将2D的纸基微流控芯片扩展到3D尺度。维数的增大带来的优势是可通过调控其流道深度来实现流速的可控(流场的可编程)。一系列的实验证实该芯片可以是目前2D纸基微流控芯片的有效补充,该芯片适合于希望以无驱方式简化流体驱动的同时又希望能实现一些复杂的流动控制。

  在国外,Dolomite是一家世界级微流控创新公司。2016年3月15日,Dolomite在西班牙马德里发布了一台创新型3D打印设备FluidicFactory,它可以用于微流控和芯片实验室的3D打印。FluidicFactory是全球第一台可以打印流体密封装置的商用3D打印机,能够提供快速、简便、可靠的打印服务,每片芯片的打印成本仅需1美元。所用3D打印材料是经美国食品药品监督管理局(FDA)批准的一种坚固且半透明的材料,名为环烯烃共聚物(COC),对3D打印设备而言,这种材料容易获取而且价格便宜,几乎适用于所有应用。

  此外,Optomec气溶胶喷射技术可3D打印微米级智能结构,该技术将应用于电子和生物医药行业,在开发成本更低、尺寸更小的下一代产品方面拥有巨大的应用前景。

  除了弗吉尼亚理工大学-维克森林大学,在微流控芯片领域活跃的科研机构不在少数。美国康涅狄格大学等机构的科学家在TowardsSingle-StepBiofabricationofOrgansonaChipvia3DPrinting(通过3D打印技术进行器官生物芯片的一步制造)一文中描述到,传统的微流控芯片制造技术是劳动密集型的产业,不利于实验室进行芯片设计的快速迭代和快速制造。将3D打印技术用于制造微流控生物芯片则可以在几个小时内实现微型流体通道的快速制造,有利于设计的快速迭代,提高了基于微流控研究的跨学科性,并加速创新。

  生物3D打印技术在制造复杂3D人体组织结构方面具有潜力。微流控系统可以为3D组织提供营养、氧气和生长因子。未来,先进的生物3D打印机不仅可以打印微流控平台,还可以同时在微流控平台中直接打印出定制化的微观人体组织。

  而关于微小器件的陶瓷打印方面,之前,德国Fraunhofer陶瓷技术研究所和IKTS系统研究所研发了一项3D打印新技术,不仅可以打印骨科植入物、假牙、手术工具等医疗产品,还可以打印微反应器这样非常复杂、微小部件。Fraunhofer打印的陶瓷微反应器,包含了众多复杂的微型通道以及两根液体连接管。微反应器中的复杂结构以及反应器内部、外部的密封性对传统技术挑战极大,而通过陶瓷3D打印技术,可以制造出一个整体式的反应器。


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