3D打印不同功能的模块化微流控芯片

微流控芯片为许多研究领域提供了一个便携式和自动化的平台，包括分析化学，生物化学分析，生物医学研究和材料合成。微流控芯片还可为研究细胞共培养，细胞代谢活动，细胞间相互作用和药物代谢机制提供了一个便利的平台。由于传统的微流控芯片都采用泵驱动，对微流道而言，需要很大的压力才能驱动，这就使得现有结构的微流控芯片进行模块化封装时容易出现泄漏。

图1.模块化微流体装置制造过程示意图

据悉，浙江大学贺永教授团队提出了一种基于毛细驱动的模块化微流控芯片制造新方法，通过3D打印的方式可方便的打印芯片的各个模块，然后通过在微流道内填充具有毛细效应的纤维素粉，使其具有毛细自驱动功能。这个方法的优势在于对模块间的组装精度要求低，使用普通的桌面式3D打印机就可制造，打印出类乐高积木式的芯片模块，然后可很方便的组装起来，组装后模块化芯片也无需泵即可驱动。

图2 不同的流动行为操控

近来出现了由各个功能模块组装而成的模块化微流控芯片。每个模块在被集成到微流控系统之前可以分别设计，制造和修改。模块化微流体的制造包括微细加工方法和3D打印技术。现有模块化微流控应用的主要挑战在于准确对齐和严格密封，以确保组装后模块间无泄漏且流体互通，使其对制造精度要求很高。

图3.几种典型的芯片模块

贺永教授团队提出了一种新型毛细驱动的模块化微流控系统，其特点是可以根据特定需求选取特定基本功能模块实现特定结构的拼装，其开放的结构使得易于整合各种支架和反应物，且没有必要进行严格的密封或对齐。采用3D打印机打印不同的功能模块，通过类乐高式的统一接头拼装，然后用具有毛细效应的材料填充微流道，即可实现。这种可快速重建的模块化微流体装置由基本功能模块和其他个性化模块组成，每个模块都有统一的标准接口，便于组装。通过桌面3D打印机打印，制造过程简单高效，并且可以方便地控制流道尺寸。通过不同模块的多种组合，可以实现多种不同的功能，而无需重复制造过程。单个模块也可以取出来进行测试和分析。课题组通过一系列探索，选定了适合的毛细填充材料，并进行了一系列流量流道尺寸标定实验，为流场可编程提供基础；通过几个简单电路实验，证明了系统用于液态电路的潜能；通过骨支架的降解实验展示了系统作为生物反应器的能力；通过一系列细胞培养及表征实验，揭示了系统在生物医学应用中的可行性。

图4.模块化芯片的细胞培养