比利时鲁汶大学用3D打印快技术开发速诊断的微流体装置

来源：江苏激光联盟

COVID-19疫情使每个人都意识到快速诊断的重要性。自3月底以来，比利时允许在药房进行自测。该自检是所谓的横向流动测试。来自比利时鲁汶大学（KU Leuven）的研究人员开发了一种3D打印技术，该技术扩展了横向流动测试的可能性。这些测试以经典的妊娠测试和COVID-19自我测试的形式广泛传播。利用新的打印技术，可以进行快速，廉价且易于使用的高级诊断测试。

当无法使用设备齐全的分析实验室时，在患者现场进行快速诊断测试（即所谓的“即时诊断”("point‐of‐care", POC）测试）至关重要。在发达国家和发展中国家，POC诊断通过及早诊断可治疗的疾病并应对急性健康危机，每年可以挽救数百万人的生命。特别是发展中国家的诊断应该是低成本和一次性的，需要最少的使用者依赖相关步骤和外部设备。长期以来，微流体一直承诺将基于实验室的诊断协议缩小到芯片上。尽管在该领域取得了成功，但POC使用的主要限制在于，致动和控制微型芯片中的流体流动所需的辅助设备仍然体积庞大而且依赖于外部电源。

通过毛细管芯吸法进行的流体输送消除了对外部泵的需求。在家庭妊娠试验中使用的侧向流动测定 (Lateral flow assays, LFAs) 利用这一原理，使液体样品通过多孔的纸状膜芯吸。尽管它们在发达国家和资源匮乏的环境中都取得了成功，但许多LFA仍然是定性的，它们的1D格式不适合需要定时执行步骤的方案的实施（例如，基于扩增的酶联免疫吸附测定 (enzyme‐linked immunosorbent assays, ELISA) ），1D格式使其不适用于需要定量或更高灵敏度的许多应用。为了仅通过毛细作用实现这样的序列，已提出了几种方法来定义层压多孔膜（通常是纸）内的流路，这些膜分别用疏水性屏障构图或切割成形。这些基于微流纸的分析设备(μPADs)无疑是低成本的，在不影响其流体传输性能的情况下，可靠地层压可压缩多孔层仍具有挑战性。此外，将它们与其他分立组件（例如，芯吸垫、双面胶带、纤维素粉末、夹具）可重复地组装在一起并非易事。由此产生的层间接触问题可能会导致设备故障（例如，对于七层组件而言约为30％）。由毛细作用驱动的明渠微流体（通常称为毛细管回路）是纸质设备的替代品。但是，为了达到激活这些流体芯片中的液体所需的毛细压力，必须通过光刻技术以自上而下的方式制造小的部件（≤10μm）。这种制造方法增加了所得器件的成本，当然也增加了制造设备的成本。3D打印，尤其是立体光刻技术，有望为毛细管电路提供低成本的制造路线和设备。但是，当前的分辨率低于光刻技术，并且尚未证明完全3D印刷的毛细管现象。

▲3D打印的微流体装置概念图

在这里，来自比利时鲁汶大学的研究人员将3D打印作为一种制造整体式无泵微流控技术的新颖方法。迄今为止，3D打印主要用于制造其（通常是复杂的）几何形状决定其功能的物体，包括在泵驱动的微流体中。通常，要注意避免在打印体积中出现孔隙，从而确保其性能与传统工程材料的数量可以近似。相比之下，该研究中的3D打印毛细血管驱动的微流体设备具有高度多孔性，其功能完全来自对孔壁表面化学性质的精确空间控制。

精确打印
研究人员使用3D打印机制作了3D版本的横向流动测试。基础是一小块多孔聚合物，其中具有特定特性的“油墨”被印刷在精确的位置。这样，就形成了一个由通道和小“锁”组成的网络，使流量可以在需要的地方和时间通过或阻塞，而无需移动部件。在测试过程中，将自动引导样品执行不同的测试步骤。这样，甚至可以遵循复杂的协议。

图1. 整体毛细管驱动微流体设备的3D打印。

▲图解：(A). 粘合剂喷射3D打印通过使用粘合剂液体交替铺展一层建筑材料层和喷墨打印对象切片来进行。疏水粘合剂（灰色）用于描绘毛细管流动通道（粉红色），其他颜色表示可能使用多种墨水。(B). 裂解的多孔3D打印部件中结合的PMMA颗粒的扫描电子显微镜图像。圆形标记（用箭头表示）指示将粒子粘合在一起的颈部断裂的位置。(C). 5％CsI水溶液通过3D打印部件中的亲水通道芯吸的X射线CT可视化。CsI用于增强水溶液（浅灰色）和PMMA颗粒之间的对比度。(D). 顶部：水溶液（蓝色）通过用于表征毛细管流动的装置芯吸。为了清楚起见，3D打印的疏水部分显示为透明。底部：实验性芯吸速度和Bosanquet贴合度。背景：蓝色染料溶液在由虚线灰色指示的时间点通过亲水通道（横截面积为2×2 mm2）芯吸的光学图像。3D打印设备的轮廓以蓝色虚线表示。

研究人员评估了他们的技术，该技术可再现用于检测免疫球蛋白E（IgE）的ELISA测试（酶联免疫吸附测定）。测量Ig E以诊断过敏。在实验室中，该测试需要几个步骤，使用不同的漂洗液和改变酸度。研究团队能够使用厚信用卡大小的印刷测试套件来运行整个协议。

图2. 3D通道网络和流量控制元素。

▲图解：(A). 具有篮式通道的3D微流体网络。为了清楚起见，将3D打印的疏水部分制成透明的。插图：在不同时间点的光学图像，显示了不同颜色的溶液通过相互交织的亲水通道芯吸。通道的隐藏部分不可见。时钟符号仅是指示性的。(B) 基于方向流的触发阀。上图：激活序列的示意图。蓝色液体芯吸进入亲水通道，直到在疏水屏障处停止为止。仅在黄色液体溶解能够桥接疏水性屏障的表面活性剂（绿色）后，才继续发生芯吸。时钟符号仅是指示性的。中：激活不同阶段的光学图像。表面活性剂的位置由绿色虚线圆圈表示。下图：在弥合疏水间隙之前，之中和之后，基于X射线CT数据的活化过程的详细视图。

复杂性不是成本
3D打印的伟大之处在于，可以快速调整测试的设计以适应其他协议，例如，检测癌症生物标志物。对于3D打印机，通道网络的复杂程度无关紧要。3D打印技术价格合理且可扩展。Parra博士表示在他们的实验室中，生产Ig E原型测试的成本约为1.50美元，但如果我们扩大规模，则将不到1美元。该技术不仅为发达国家提供了更便宜，更快的诊断机会，而且在医疗基础设施难以获得且强烈需要负担得起的诊断测试的国家中也提供了这种机会。

图3.3D打印机。(A). 印刷方向示意图。(B). 市售的热敏打印头HP11。(C). 修改新的打印头，卸下流体喷嘴。(D). 用注射器小心地抽吸墨水，并按照建议的方案清洁打印头。(E). 将定制的铝盖粘在HP11打印头上

该研究小组目前正在设计自己的3D打印机，它将比当前研究中使用的商业模型更加灵活。经过优化的打印机就像移动小型工厂一样，可以快速生成诊断信息。然后，可以通过简单地加载不同的设计文件和油墨来创建不同类型的测试。

本文来源：Clement Achille et al, 3D Printing of Monolithic Capillarity‐Driven Microfluidic Devices for Diagnostics, Advanced Materials (2021). DOI: 10.1002/adma.202008712