組裝后的微流控芯片的PDMS頂層和底層

3D打印經(jīng)(jīng)常用于微流控技術(shù)，用于處理操縱和控制微小通道中亞mm級別的流體流動(dòng)。研究人員已經(jīng)(jīng)開(kāi)發(fā)(fā)出許多微流控裝置以輔助細胞分析，醫(yī)療領(lǐng)域因此得以受益。據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報道，來(lái)自薩斯喀徹溫大學(xué)（University of Saskatchewan）的Annal Arumugam Arthanari Arumugam發(fā)(fā)表了一篇題為《基于滑動(dòng)原理幫助分選不同尺寸細胞潛在應用的微流控裝置》的畢業(yè)(yè)論文，專(zhuān)注于一種全新的微流控裝置設計概念，稱(chēng)為滑動(dòng)原理。

論文中，Arumugam表示，雖然大多數(shù)微流控裝置都可以捕獲、分離、定位和分選單個(gè)細胞，但大多數(shù)只能用于相同尺寸的細胞?？燒{(diào)諧微流控裝置可用于捕獲和分選尺寸為20至30μm的單個(gè)細胞，但是許多應用所需的尺寸范圍為2 μm至100 μm，甚至范圍更大。

測試通道間距的實(shí)驗裝置

論文陳述指出“本文首先對用于捕獲和分選單細胞裝置的不同工作原理展開(kāi)分析，試圖找出問(wèn)題解決方案。作為結果，本文提出了一種新的原理，用于對尺寸范圍在2 μm至100 μm之間的單細胞進(jìn)行分選，該原理被稱(chēng)為‘滑動(dòng)原理’。為了驗證該原理的有效性，研究人員基于該原理設計了一種包含微捕獲器或微孔的裝置，該裝置的設計和制造使用了軟光刻技術(shù)，其中的模具則使用3D打印技術(shù)制造。研究人員用顯微鏡（分辨率：1-3μm）和移動(dòng)平臺（分辨率：1μm）展開(kāi)實(shí)驗，證明了該裝置可以適應微孔捕獲器的尺寸，范圍從0-1000μm并完全可以覆蓋所需微孔的尺寸范圍（例如：2-100μm）。根據(jù)目前關(guān)于用一種裝置捕獲和分選不同尺寸單細胞的機械方法的文獻，基于滑動(dòng)原理構建的裝置有望適用于捕獲并分選不同尺寸的單細胞?！?

該裝置的整體功能要求（function requirement，F(xiàn)R）是能夠捕獲不同尺寸的細胞，從2 μm到100μm，分辨率為2-5μm，子功能要求包括：

* 形成滑動(dòng)對，使捕獲器隨滑動(dòng)改變尺寸大小

* 能夠運行一款滑動(dòng)捕獲器

* 泵送細胞液流過(guò)捕獲器

可調(diào)節(jié)捕獲器的滑動(dòng)原理（a）捕獲器是一個(gè)有四邊可滑動(dòng)的正方形；（b）滑動(dòng)某一邊以改變捕獲器尺寸

會(huì )接觸到細胞的微流控裝置必需由生物相容性材料制成，細胞中的最大應力應該小于4.5 Pa，滑動(dòng)調(diào)整范圍小于1000 μm。Arumugam為他的滑動(dòng)捕獲器考慮了兩種設計選擇，但第一種沒(méi)有成功，因為兩個(gè)塊的接觸面不夠平滑，塊與塊之間沒(méi)有辦法平滑滑動(dòng)，并且有可能會(huì )導致泄漏。因此他轉(zhuǎn)而專(zhuān)注于第二種設計選擇。

Arumugam解釋道，“這種設計分為兩層（頂層和底層），每一層都有幾個(gè)微孔（然而，本論文只設計了一個(gè)微孔，但不失一般性），微孔形狀為正方形。具體而言，在頂層，正方形是一個(gè)具有突出部分的凸面，底層的正方形則是凹面。當兩層組裝在一起時(shí)（頂層在底層之上），它們就形成一個(gè)系統(tǒng)……”

頂層塊的驅(qū)動(dòng)裝置

導軌、支架、頂層塊和底層塊，由PDMS（聚二甲基硅氧烷）制成的嵌入層構成驅(qū)動(dòng)裝置；移動(dòng)分辨率約為3 um的單個(gè)軸向平臺由835剛性不透明白色材料制成，有助于驅(qū)動(dòng)頂層塊。Arumugam使用Polyjet 3D打印技術(shù)為PDMS部分制作模具。

在測試設計時(shí)，該裝置被測量以查看是否符合“幾何和拓撲裝置設計規(guī)范”，研究人員也測量了滑動(dòng)操作以“檢驗微孔的變化”。

PDMS層的測量值令人滿(mǎn)意，表明了滑動(dòng)原理概念確實(shí)有效，PDMS層的側面有輕微侵蝕現(xiàn)象，使得通道間距不太精確；造成損壞的原因是粘性PDMS在固化過(guò)程中沒(méi)有從模具上剝離干凈。

用于PDMS層的3D打印模具和滑動(dòng)組件，由該大學(xué)工程工作室制造

Arumugam補充道，“在最初的幾次實(shí)驗嘗試中，PDMS沒(méi)有固化好，PDMS層（鑄塑件）粘在模具上，并在剝離過(guò)程中受損。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們將3D打印模具在烤箱中以85°C預烘烤4小時(shí)，然后再進(jìn)行PDMS層的固化。然而，問(wèn)題并沒(méi)有完全消失。該問(wèn)題會(huì )導致鑄塑件在尺寸方面的不精確性（誤差約為2um），同樣也會(huì )導致表面損壞。分辨率問(wèn)題部分可歸因為通道尺寸為1mm。通道尺寸會(huì )影響到顯微鏡的聚焦，進(jìn)而影響被視圖覆蓋的像素數(shù)量，最終影響像素分辨率，尤其是像素長(cháng)度變成了8.547 um。假設最大通道尺寸為100 μm，測量分辨率就會(huì )變成0.855 um?！?

作者也列舉了一些有助于推進(jìn)微流控裝置技術(shù)的工作，例如優(yōu)(yōu)化PDMS通道的制造和進(jìn)一步修改他的設計。

來(lái)源：中國3D打印網(wǎng)(wǎng)