3D打印微流控芯片及其在化学、生物中的应用进展综述

3D打印微流控芯片及其在化学、生物中的应用进展(Developments of 3D Printing Microfluidics and Applications in Chemistry and Biology a Review)

36 Developments of 3D Printing Microfluidics and Applications in Chemistry and B.pdf

 

去年受Electroanalysis杂志副主编José MPingarrón教授的约稿,花了大半年的时间对3D打印微流控芯片的研究进展进行了梳理,结合了自己在研究过程中的一些理解,写了这篇综述“Developments of 3D Printing Microfluidics and Applications in Chemistryand Biology: a Review”。虽然尽力查阅了相关文献,但仍不免有所遗漏,尤其是由于发表周期的问题,近期的一些进展可能没有述及。

微流控芯片(MicrofluidicChip)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。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,又称为微全分析系统、微流体芯片等。基于MEMS工艺的微制造技术在微流控芯片中获得了广泛的应用,但随着时间的发展现有的微流控制造方法也慢慢暴露了很多缺点。主要体现在维度限制(制造三维微流控芯片比较困难)及小批量制造的成本居高不下。因而随着3D打印技术的发展,采用3D打印制造微流控芯片越来越可行与方便。

本篇综述的目的主要有:(1)梳理现有的3D打印技术,对各类3D打印技术适合于制作那种类型的微流控芯片进行分析,目的是帮助微流控研究人员更好的选择适合的3D打印工艺;(2)梳理现有3D打印微流控芯片进展,包括其在化学及生物学中的应用;(3)结合自己的理解,对3D打印微流控芯片的发展做些展望与预测,特别是以后可能会获得大幅发展的3D打印微流控芯片技术。

 

熔融沉积(FDM)3D打印方式的微流控芯片制造

挤出成型3D打印方法中,FDM打印技术目前应用最为普遍,成本也最为低廉,售价通常在3000RMB-1000RMB,故而常被称为桌面式3D打印机。如能使用FDM打印机很好的解决微流控芯片的制造问题,无疑非常实用、非常方便。当然FDM桌面式3D打印机的缺点是精度不高,直接用来打印芯片通常会出现泄漏等问题,使用合适的打印材料,可以部分的避免这个问题。另一个方法是使用FDM打印打印模具,如觉得模具精度不高,可进行二次抛光,用作快速制造微流控芯片还是比较方便的,需要声明的是,该方法制造芯片的精度大概在几百微米之间。

基于FDM工艺打印的微流控芯片

 

光固化3D打印方式的微流控芯片制造

   光固化3D打印方式中SLA价格比较贵,不够亲民。而DLP工艺近几年发展迅速,有普及的趋势,目前价格也就在1万RMB-5万RMB左右,精度也可控制在几十微米。个人觉得DLP工艺的3D打印机比较适合于微流控芯片制造,当然光固化树脂的一些特性可能会限制光固化打印微流控芯片的部分应用,而这也是研究人员可以努力的方向哈。基于DLP工艺,透明的微流控芯片、内置的3D流道相对容易制造出来,具体的部分技术细节还需进一步探索。我比较看好DLP技术在微流控芯片制造中的应用。

基于光固化工艺制造的微流控芯片

 

选择性激光烧结3D打印方式的微流控芯片制造

由于该方式主要烧结金属材料,价格较贵,在微流控中报道不多,主要见于微反应器的报道。个人觉得用于燃料电池的制氢微反应器可考虑使用这个工艺制造。

 

基于喷墨3D打印方式的微流控芯片制造

喷墨3D打印有两类成型方式,一类是通过喷射粘结剂粘附颗粒实现3D结构制造,这个工艺中液体渗漏是一个问题,个人认为不太适合于芯片制造。另一类是喷射光固化液滴,利用UV光固化,这个制造方式接近于前述的光固化工艺,但由于多喷头的作用使得彩色3D结构的打印不再是难题。该工艺制造微流控芯片同样有不少报道,理论上将可基于该工艺实现芯片上一些抗体、反应物等的同时打印,我们期待后续会出现这方面的报道。

基于喷墨光固化的微流控芯片3D打印

 

叠层制造3D打印方式的微流控芯片制造

叠层制造原来是指将切好截面的纸张叠加起来实现3D结构的制造,基于该原理可手工制造出芯片的每部分,然后将其叠加起来。个人觉得如果是手工制作,归类于3D打印有点勉强。不过目前的有一种融合了基于切纸的叠层制造及喷墨打印工艺的3D打印机有望在3D纸芯片的制造中获得应用,理论上讲使用喷墨打印头可方便的在纸上沉积各种试剂、而切纸工艺可方便的制造三维纸芯片结构,我很期待后续会有这方面的报道。

 

双光子聚合3D打印方式的微流控芯片制造

该工艺精度高,能制造微纳米尺度的流道,可惜受限于设备成本及商业化应用稍显狭窄的问题,该方法还需要成熟期,未来能否有较多的应用还有待观察。

 

基于叠层制造及双光子聚合的微流控芯片3D打印

 

7 3D打印生物微流控芯片/3D打印生物MEMS

3D打印生物微流控可大体分为器官芯片打印及生物打印中的血管化。前者主要目标是在芯片上模拟出器官组织,用于药物筛选等。而后者主要是为了解决器官制造中的营养输送或者说是血供问题。

课题组的生物打印血管化研究工作,同样可用于器官芯片的直接打印

参考文献116的血管化工作

8 3D打印微流控芯片优缺点

 

Method

Principle

Material

Advantages

Disadvantages

Suitable  microfluidics

FDM

Extrusion

-based

Thermoplastic,  eutectic metal,ceramics, edible material, etc.

Simple using and  maintaining, low cost, easily accessible

Rough surface,  low resolution

Mold  casting, channel size larger than 200μm,

Low-cost  chips

SLA & DLP

Photocuring

Liquid  photosensitive resin

High accuracy

Limited resin,  unbio-compatible

Mold  casting, Channel size larger than 100μm

 

3DP-LR

Inkjet-based

Liquid  photosensitive resin

High accuracy

Very expensive

Transparent  chips

SLS & SLM

Photomelting

Powdered  plastic, metal, ceramic, PC, acrylic styrene, PVC, ABS wax, etc.

Wide adaptation  of materials, high accuracy, high strength

Very expensive

Reactor with  high temperature

LOM

Paper cutting

Sheet material  (paper, plastic film, metal sheets, cellulose etc.)

Low cost, easy  to manufacture large parts

Time-consuming,  low material utilization

3D  μPADs with different agents

 

3DP-P

Inkjet-based

Powdered  plaster, ceramics sugar etc.

Colorful  printing

Post surface  treatment,

low strength

Unsuitable

LDW & Two-Photon  Polymerization  Process

Laser-based

Glass, fused  silica etc.

High accuracy

Expensive

Situations need  high accuracy

 

9 3D打印微流控芯片展望

个人认为后续3D打印微流控芯片有6个趋势

其一、从二维面芯片过渡到三维体芯片;其二、直接打印凝胶材质的微流控芯片;其三、针对微流控需要的3D打印工艺将会开发得到更多的重视;其四、基于打印工艺直接集成传感器及制动器到微流控芯片中;其五、基于3D打印的微流控芯片模块化组装;其六、纸芯片的3D打印封装,构成便携式POC系统。

   更详细的探讨可参考我们发表的论文,欢迎感兴趣的同行交流。

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