怎樣快速制造基于3D打印的微流控芯片模塊

微流控芯片作為集成化學、生物領域中的樣片制備，檢測分析及細胞培養(yǎng)等功能的平臺，在當今的醫(yī)學研究中具有廣闊的發(fā)展前景。而目前基于傳統(tǒng)技術的3D微流控芯片加工面臨加工周期長，制造成本高，芯片功能結構單一的問題,如果能夠在短時間內(nèi)基于實驗方案個體化定制3D微流控芯片，將會為生物醫(yī)學研究，尤其是體外微環(huán)境構建研究提供高效工具。浙江大學浙江省三維打印工藝與裝備重點實驗室賀永、傅建中教授團隊經(jīng)過兩年多的研究探索，提出了一種基于模塊化結構設計的3D微流控芯片定制工藝，該工藝能實現(xiàn)基于芯片功能設計的微流控芯片快速制造。本工藝結合生物制造技術，可以快速制造器官芯片，為后續(xù)芯片上不同器官的集成模擬提供了一種可行方案。本研究受到國家基金聯(lián)合基金-浙江省兩化融合重點項目、國家優(yōu)秀青年基金、浙江省杰出青年基金項目資助。

3D微流控芯片的制造方法一直是微加工領域的研究熱點，常見的方法包括：傳統(tǒng)技術加工2D結構層疊得到3D芯片，3D打印技術直接制造3D微流控芯片和預先制造芯片模組組裝3D芯片。雖然這些方法制造得到的3D微流控芯片在一定程度上可以滿足實驗需求，但是它們無法兼顧醫(yī)學研究中對芯片材料生物兼容性和芯片制造快速簡便的要求，故對于不同的實驗環(huán)境和實驗要求，這些方法制造的3D芯片結構和功能需要不斷優(yōu)化及改進，影響芯片內(nèi)細胞、組織的培養(yǎng)和檢測，進而延長實驗周期。

我們課題組提出了一種全新的3D微流控芯片制造方法，其特點是根據(jù)實驗需求快速組裝芯片模塊，在保證生物兼容性的前提下實現(xiàn)3D微流控芯片的快速重構。通過課題組前期自行研發(fā)的糖打印機，利用糖擠出噴頭制造流道圖案，澆注PDMS固化后翻模得到PDMS基的芯片模組。根據(jù)實驗需求設計，將不同功能的PDMS芯片模組及柔性電路、生物支架等附屬部件整合，利用快速可逆封裝的技術構建完整功能的3D微流控芯片。不同功能的芯片設計只需依據(jù)設計更換不同功能的模組即可。通過大量的工藝實驗，系統(tǒng)解決了PDMS模組的成型問題；通過芯片重構實驗演示了基于功能設計的芯片快速定制；并通過后續(xù)的細胞培養(yǎng)、細胞氧化應激損傷及器官芯片快速構建展示了該方法在生物醫(yī)學應用中的可能性。

基于模塊化結構設計的3D微流控芯片快速制造原理圖

一種適于生物醫(yī)學應用的集成芯片的快速制造

基于功能設計的微流控芯片快速重構

快速定制芯片內(nèi)的細胞培養(yǎng)研究

快速定制芯片內(nèi)的細胞氧化應激損傷研究

器官芯片的快速構建研究

目前該成果已在ACS旗下的ACS Biomaterials Science & Engineering期刊發(fā)表，題為“Rapid Customization of 3D Integrated Microfluidic Chips via Modular Structure-BasedDesign”，DOI: 10.1021/acsbiomaterials.7b00401。