Polyjet 3D打印技術助力研發出能夠分選不同尺寸單細胞的微流控裝
時間：2019-01-07 13:25 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
3D打印經常用于微流控技術，用于處理操縱和控制微小通道中亞毫米級別的流體流動。研究人員已經開發出許多微流控裝置以輔助細胞分析，醫療領域因此得以受益。據南極熊了解，近日，來自薩斯喀徹溫大學（University of Saskatchewan）的Annal Arumugam Arthanari Arumugam發表了一篇題為《基于滑動原理幫助分選不同尺寸細胞潛在應用的微流控裝置》的畢業論文，專注于一種全新的微流控裝置設計概念，稱為滑動原理。
論文陳述指出“本文首先對用于捕獲和分選單細胞裝置的不同工作原理展開分析，試圖找出問題解決方案。作為結果，本文提出了一種新的原理，用于對尺寸范圍在2 μm至100 μm之間的單細胞進行分選，該原理被稱為‘滑動原理’。為了驗證該原理的有效性，研究人員基于該原理設計了一種包含微捕獲器或微孔的裝置，該裝置的設計和制造使用了軟光刻技術，其中的模具則使用3D打印技術制造。研究人員用顯微鏡（分辨率：1-3μm）和移動平臺（分辨率：1μm）展開實驗，證明了該裝置可以適應微孔捕獲器的尺寸，范圍從0-1000μm并完全可以覆蓋所需微孔的尺寸范圍（例如：2-100μm）。根據目前關于用一種裝置捕獲和分選不同尺寸單細胞的機械方法的文獻，基于滑動原理構建的裝置有望適用于捕獲并分選不同尺寸的單細胞。”
該裝置的整體功能要求（function requirement，FR）是能夠捕獲不同尺寸的細胞，從2 μm到100μm，分辨率為2-5μm，子功能要求包括：
* 形成滑動對，使捕獲器隨滑動改變尺寸大小
* 能夠運行一款滑動捕獲器
* 泵送細胞液流過捕獲器
會接觸到細胞的微流控裝置必須由生物相容性材料制成，細胞中的最大應力應該小于4.5 Pa，滑動調整范圍小于1000 μm。Arumugam為他的滑動捕獲器考慮了兩種設計選擇，但第一種沒有成功，因為兩個塊的接觸面不夠平滑，塊與塊之間無法平滑滑動，并且有可能會導致泄漏。因此他轉而專注于第二種設計選擇。
Arumugam解釋道，“這種設計分為兩層（頂層和底層），每一層都有幾個微孔（然而，本論文只設計了一個微孔，但不失一般性），微孔形狀為正方形。具體而言，在頂層，正方形是一個具有突出部分的凸面，底層的正方形則是凹面。當兩層組裝在一起時（頂層在底層之上），它們就形成一個系統……”
導軌、支架、頂層塊和底層塊，由PDMS（聚二甲基硅氧烷）制成的嵌入層構成驅動裝置；移動分辨率約為3 um的單個軸向平臺由835剛性不透明白色材料制成，有助于驅動頂層塊。Arumugam使用Polyjet 3D打印技術為PDMS部分制作模具。
在測試設計時，該裝置被測量以查看是否符合“幾何和拓撲裝置設計規范”，研究人員也測量了滑動操作以“檢驗微孔的變化”。
PDMS層的測量值令人滿意，表明了滑動原理概念確實有效，PDMS層的側面有輕微侵蝕現象，使得通道間距不太精確；造成損壞的原因是粘性PDMS在固化過程中沒有從模具上剝離干凈。
Arumugam補充道，“在最初的幾次實驗嘗試中，PDMS沒有固化好，PDMS層（注塑件）粘在模具上，并在剝離過程中受損。為了解決這個問題，我們將3D打印模具在烤箱中以85°C預烘烤4小時，然后再進行PDMS層的固化。然而，問題并沒有完全消失。該問題會導致注塑件在尺寸方面的不精確性（誤差約為2um），同樣也會導致表面損壞。分辨率問題部分可歸因為通道尺寸為1mm。通道尺寸會影響到顯微鏡的聚焦，進而影響被視圖覆蓋的像素數量，最終影響像素分辨率，尤其是像素長度變成了8.547 um。假設最大通道尺寸為100 μm，測量分辨率就會變成0.855 um。
組裝后的微流控芯片的PDMS頂層和底層
論文中，Arumugam表示，雖然大多數微流控裝置都可以捕獲、分離、定位和分選單個細胞，但大多數只能用于相同尺寸的細胞。可調諧微流控裝置可用于捕獲和分選尺寸為20至30μm的單個細胞，但是許多應用所需的尺寸范圍為2 μm至100 μm，甚至范圍更大。
測試通道間距的實驗裝置
論文陳述指出“本文首先對用于捕獲和分選單細胞裝置的不同工作原理展開分析，試圖找出問題解決方案。作為結果，本文提出了一種新的原理，用于對尺寸范圍在2 μm至100 μm之間的單細胞進行分選，該原理被稱為‘滑動原理’。為了驗證該原理的有效性，研究人員基于該原理設計了一種包含微捕獲器或微孔的裝置，該裝置的設計和制造使用了軟光刻技術，其中的模具則使用3D打印技術制造。研究人員用顯微鏡（分辨率：1-3μm）和移動平臺（分辨率：1μm）展開實驗，證明了該裝置可以適應微孔捕獲器的尺寸，范圍從0-1000μm并完全可以覆蓋所需微孔的尺寸范圍（例如：2-100μm）。根據目前關于用一種裝置捕獲和分選不同尺寸單細胞的機械方法的文獻，基于滑動原理構建的裝置有望適用于捕獲并分選不同尺寸的單細胞。”
該裝置的整體功能要求（function requirement，FR）是能夠捕獲不同尺寸的細胞，從2 μm到100μm，分辨率為2-5μm，子功能要求包括：
* 形成滑動對，使捕獲器隨滑動改變尺寸大小
* 能夠運行一款滑動捕獲器
* 泵送細胞液流過捕獲器
可調節捕獲器的滑動原理（a）捕獲器是一個有四邊可滑動的正方形；（b）滑動某一邊以改變捕獲器尺寸
會接觸到細胞的微流控裝置必須由生物相容性材料制成，細胞中的最大應力應該小于4.5 Pa，滑動調整范圍小于1000 μm。Arumugam為他的滑動捕獲器考慮了兩種設計選擇，但第一種沒有成功，因為兩個塊的接觸面不夠平滑，塊與塊之間無法平滑滑動，并且有可能會導致泄漏。因此他轉而專注于第二種設計選擇。
Arumugam解釋道，“這種設計分為兩層（頂層和底層），每一層都有幾個微孔（然而，本論文只設計了一個微孔，但不失一般性），微孔形狀為正方形。具體而言，在頂層，正方形是一個具有突出部分的凸面，底層的正方形則是凹面。當兩層組裝在一起時（頂層在底層之上），它們就形成一個系統……”
頂層塊的驅動裝置
導軌、支架、頂層塊和底層塊，由PDMS（聚二甲基硅氧烷）制成的嵌入層構成驅動裝置；移動分辨率約為3 um的單個軸向平臺由835剛性不透明白色材料制成，有助于驅動頂層塊。Arumugam使用Polyjet 3D打印技術為PDMS部分制作模具。
在測試設計時，該裝置被測量以查看是否符合“幾何和拓撲裝置設計規范”，研究人員也測量了滑動操作以“檢驗微孔的變化”。
PDMS層的測量值令人滿意，表明了滑動原理概念確實有效，PDMS層的側面有輕微侵蝕現象，使得通道間距不太精確；造成損壞的原因是粘性PDMS在固化過程中沒有從模具上剝離干凈。
用于PDMS層的3D打印模具和滑動組件，由該大學工程工作室制造
Arumugam補充道，“在最初的幾次實驗嘗試中，PDMS沒有固化好，PDMS層（注塑件）粘在模具上，并在剝離過程中受損。為了解決這個問題，我們將3D打印模具在烤箱中以85°C預烘烤4小時，然后再進行PDMS層的固化。然而，問題并沒有完全消失。該問題會導致注塑件在尺寸方面的不精確性（誤差約為2um），同樣也會導致表面損壞。分辨率問題部分可歸因為通道尺寸為1mm。通道尺寸會影響到顯微鏡的聚焦，進而影響被視圖覆蓋的像素數量，最終影響像素分辨率，尤其是像素長度變成了8.547 um。假設最大通道尺寸為100 μm，測量分辨率就會變成0.855 um。
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