一種利用低成本聚合物層壓紙基微流控技術(shù)制造診斷器件的新方法

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)（Texas A&M University）阿蒂·麥克費(fèi)林化學(xué)工程系（Artie McFerrin Department of Chemical Engineering）的副教授Zachary Gagnon博士和研究生Md Nazibul Islam領(lǐng)導(dǎo)的一支研究團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出一種利用低成本聚合物層壓紙基微流控技術(shù)制造診斷器件的新方法，該方法可以進(jìn)行快速原型制造，并最終實(shí)現(xiàn)器件的規(guī)?；a(chǎn)。該項(xiàng)研究以封面文章發(fā)表在Analyst期刊上。

微流控是研究流體通過微通道的運(yùn)動(dòng)以及如何控制這種運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)其市場化應(yīng)用的技術(shù)，目前已成功應(yīng)用于妊娠和新冠肺炎（COVID-19）檢測等診斷器件。具體來看，這些微流控器件包含微泵、微閥、微針和微通道/微孔芯片等，例如微泵可將液體移動(dòng)至芯片的微通道中，使其在微通道流動(dòng)的過程中與診斷試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

例如，在進(jìn)行COVID-19聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）檢測時(shí)，唾液或粘液樣本通過芯片上的微通道進(jìn)入微孔，病毒核糖核酸（RNA）在微孔中逆轉(zhuǎn)錄為DNA并進(jìn)行擴(kuò)增。在存在新冠病毒（SARS-COVID-2）的情況下，PCR試劑會啟動(dòng)上述步驟以檢測COVID-19。

盡管被應(yīng)用于各種領(lǐng)域，但微流控器件的制造通常使用費(fèi)用相對高昂的塑料和玻璃，并需要耗費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行研究和開發(fā)，使得這些器件的原型制造和規(guī)?；a(chǎn)成本極高。

Gagnon表示：“一批妊娠檢測器件的小規(guī)模原型制造的投資就能達(dá)到六位數(shù)，這使得民用微流控器件的商業(yè)化困難重重。在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，研究人員已取得了一些進(jìn)展，但尚不能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。我們的目標(biāo)是找到可以推廣的快速原型制造方法，以便研究人員可以將在研的微流控產(chǎn)品商業(yè)化?！?br />
為了解決這個(gè)問題，研究人員將研究方向轉(zhuǎn)向了紙基微流控技術(shù)。其實(shí)，紙基微流控并不是一個(gè)全新的技術(shù)，其在診斷器件中已有應(yīng)用，如妊娠檢測和居家COVID-19抗體/抗原檢測。這些紙基微流控診斷器件的特點(diǎn)之一是流體由毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)——在這種過程中，由于通道的特定幾何形狀，流體可以在沒有外力的情況下流動(dòng)。

然而，雖然這種被動(dòng)流體控制方法已幫助開發(fā)了多種診斷檢測器件，但主動(dòng)流體控制的缺乏，以及由于表面蒸發(fā)而導(dǎo)致的毛細(xì)傳輸不穩(wěn)定性是紙基微流控器件的主要技術(shù)瓶頸。

在該研究中，研究人員設(shè)計(jì)的紙基微流控器件的功能與傳統(tǒng)的塑料基微流控器件相似，但其突破性地提出一種利用低成本聚合物（PDMS）層壓紙基微流體器件的新方法，以利用泵等外部壓力源引導(dǎo)多孔微流控器件中流體的連續(xù)流動(dòng)。換言之，聚合物層壓紙可以以高準(zhǔn)確度和高精密度引導(dǎo)流體通過多孔紙結(jié)構(gòu)，并可用于復(fù)雜的流體處理系統(tǒng)，如PCR儀和DNA測序儀。

聚合物層壓紙中的微流體壓力（μPiP）用于快速制造連續(xù)流體流動(dòng)的紙基微流控器件：（A）制造流程；（B）蛇形混合器；（C）Y通道示意圖；（D）H通道示意圖。

基于聚合物層壓紙的微流控診斷器件：聚合物層壓紙可以以高準(zhǔn)確度和精密度引導(dǎo)流體通過多孔紙結(jié)構(gòu)，并可用于復(fù)雜的流體處理系統(tǒng)，例如新冠肺炎（COVID-19）聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)檢測（PCR）儀和DNA測序儀。

Gagnon說道：“研究表明，我們可以在潔凈室，基于實(shí)驗(yàn)室聚合物層壓得來的紙質(zhì)材料，經(jīng)過精密加工制造出微流控診斷器件，并且基本上可以保證對流體的均一化控制?！?br />
該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的紙基微流控診斷器件，是迄今為止對制造設(shè)備需求最少的一種，可以實(shí)現(xiàn)快速原型制造，并只需傳統(tǒng)微流控器件成本的一小部分即可進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，為微流控技術(shù)提供了一種可行且經(jīng)濟(jì)的發(fā)展途徑。

紙的多孔特性具有幾方面優(yōu)勢，首先，流體可以在紙基通道內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的流動(dòng)，從而拓寬了紙基微流控器件的應(yīng)用范圍。例如，該團(tuán)隊(duì)研究生Islam研究了所開發(fā)的紙基微流控技術(shù)的不同應(yīng)用，例如研究紅細(xì)胞的彈性或富集DNA?；瘜W(xué)工程系的另一名研究生Jarad Yost利用了所開發(fā)的紙基微流控器件成功進(jìn)行了DNA擴(kuò)增，而無需大型笨重的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

Gagnon最后補(bǔ)充道：“這項(xiàng)研究為傳統(tǒng)的微流控器件提供了一種潛在的替代品，我們已經(jīng)證明紙基微流控設(shè)計(jì)可以和大部分傳統(tǒng)設(shè)計(jì)兼容，從而為微流控領(lǐng)域的產(chǎn)品商業(yè)化提供了廣泛的參考價(jià)值?！?br />
該項(xiàng)研究由美國國家航空航天局早期職業(yè)教師獎(jiǎng)（NASA’s Early Career Faculty Award）和美國國家科學(xué)基金會創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃（National Science Foundation’s I-Corps）資助。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1039/D1AN01676H

審核編輯 ：李倩