微流控器件極大地推動了生命科學領域的生物醫(yī)學研究。不過，在生物實驗室應用和快速生產方面，這項技術還不是最理想的狀態(tài)。例如，傳統(tǒng)微流控器件的固體不透明側壁阻礙了生物學家為其生物樣本提供足夠的物理和光學通道。

因此，越來越需要優(yōu)化設計的微流控器件來實現更高效的工作流。在一項新的研究中，英國牛津大學的Cristian Soitu及其研究小組開發(fā)了一種新型非接觸微流控回路（microfluidics circuit）制造方法。

據麥姆斯咨詢報道，該研究小組采用標準的培養(yǎng)皿平臺，利用常用的生物實驗室工具在平臺上開發(fā)微流控回路，這些工具包括注射泵、分配針、細胞培養(yǎng)基以及氟碳化合物（FC40）（一種可以自由滲透氧氣和二氧化碳的材料）等。在實驗中，他們在培養(yǎng)皿上通過分配針“噴射”FC40，能夠在幾分鐘內重復制造復雜且高度精確的微流控結構。這項技術可以使生物醫(yī)學領域的一些常見工作流小型化，并且方法更靈活多樣，非常適合在生物醫(yī)學領域廣泛應用。這項研究現已發(fā)表于Advanced Science。

按需噴射印刷微流控器件

這項研究的主要作者Cristian Soitu評價這項新穎的技術是“一種使用生物實驗室常見材料以非接觸方式構建微流控側壁的廉價方法”。關于該技術的速度和性能，他補充說，“可以快速地將這種微流控側壁構建到任何可以想象的二維回路中。作為概念驗證，他們在30分鐘內就用微孔板構建了一個人體循環(huán)系統(tǒng)。這項新的研究基于同一研究小組之前的研究成果——“自由流體技術”，以流體為基礎，并用流體壁而不是固體壁來限制液體。

在細胞克隆過程中突破泊松極限

這種新方法的一個關鍵特點是可以克服哺乳動物細胞培養(yǎng)克隆過程中的泊松極限。泊松統(tǒng)計表明，在細胞分裂和克隆后，微孔板中跨孔培養(yǎng)的大多數細胞會被丟棄，從而造成細胞和試劑的浪費。這種新型噴射印刷方法，可以幫助研究人員突破泊松極限，通過構建隔離孔（稱為Voronoi區(qū)），在新鮮培養(yǎng)基中穩(wěn)定地傳代培養(yǎng)哺乳動物細胞一周，然后收集克隆細胞。

傳統(tǒng)的開放式微流控器件也可以集成到生物醫(yī)學工作流中，但是，它們需要基底蝕刻、表面處理、接觸或限制流體及生物結構等綜合手段。如此復雜的制造過程阻礙了生物學家的應用，他們更傾向不影響生物相容性的高效、靈活的原型設計。因此，新型噴射印刷技術可以提供一種新的實踐方法來克服現有微流控技術的局限性。

實驗方案

在實驗中，研究人員在一個標準的組織培養(yǎng)皿底部覆蓋了一層細胞生長培養(yǎng)基和一層FC40以防止蒸發(fā)。通過橫向移動微型噴嘴，他們在不到兩分鐘的時間內就在培養(yǎng)皿上的FC40層上構建了一個具有256個腔室的網格。在這種非接觸方法中，噴嘴不接觸培養(yǎng)皿或培養(yǎng)基，從而防止了交叉污染。傳統(tǒng)的微流控系統(tǒng)是高度專業(yè)化且內置的，因此很難集成到現有的工作流中。

相比之下，這種在標準培養(yǎng)皿中噴射的灌注回路可以在15分鐘內灌注供給成肌細胞（肌肉細胞的胚胎前體），并在一周內生成肌管。Soitu等人還強調，由于全部或部分菌落會通過FC40噴射過程轉移到新的腔室中，這種技術在不使用胰蛋白酶/EDTA的情況下具有細胞傳代培養(yǎng)的能力。因此，這種方法使他們可以在單個菌落生長的過程中多次取樣。

96孔UniWell培養(yǎng)板上的人體循環(huán)系統(tǒng)，在主要的“動脈”和“靜脈”中注入紅色和藍色染料，并在系統(tǒng)中流動/擴散

新方法的可重復性

為了證明這種方法的可重復性，研究小組用噴射法構建了星形腔室形式的側壁，一種方形類似希爾伯特曲線的連續(xù)壁，或是一個微流控迷宮，引入藍色染料以解決迷宮并找到出口。該方法不局限于規(guī)定的培養(yǎng)基，還可以用全血替代進行特定的實驗。

其圖案可包括“人體循環(huán)系統(tǒng)”，甚至荷蘭科學思維版畫大師M.C. Escher的“圓極限IV”（Circle Limit IV，又稱天堂和地獄）。凸顯了該技術能夠重現幾乎所有先前圖案的潛力。其構建的流體側壁足夠穩(wěn)定，因此，研究人員可以像其它裝滿液體的培養(yǎng)皿一樣，拿著它們在實驗室、培養(yǎng)箱和顯微鏡之間來回操作。

構建恒定流量的復雜灌注回路

研究小組通過噴射印刷技術設計了一個復雜的微流控回路，可以在7天內提供穩(wěn)定的新鮮培養(yǎng)基流，以維持細胞在一系列腔室中的生長。然后，他們利用小鼠成肌細胞演示了回路的性能，這些成肌細胞在7天內分化為成熟的肌管。如果需要，研究小組可以通過構建新的FC40側壁來斷開任何腔室與相鄰回路的連接。

連續(xù)培養(yǎng)48組分化成肌細胞的灌注回路

綜上，Cristian Soitu及其同事開發(fā)了一種能夠在標準聚苯乙烯培養(yǎng)皿上快速精確地構建微流控回路的技術。研究團隊通過實驗證明：（1）可以在數秒到數分鐘內構建任何可想象的二維形狀的穩(wěn)定微流控回路；（2）在不使用外部泵的情況下，通過導管驅動流體；（3）構建可隨意打開和關閉的閥門。

該方法的主要特點是使生物學家能夠突破泊松極限，構建穩(wěn)定的灌注系統(tǒng)，并在不使用常規(guī)試劑（如胰蛋白酶/EDTA）的情況下對附著細胞進行傳代培養(yǎng)。接下來，研究小組將進一步優(yōu)化該技術，并克服現有的限制，以構建更小的微流控回路，同時保留微量化的培養(yǎng)基。預計，該方法的多樣性和靈活性將使其在生物醫(yī)學領域獲得廣泛應用。

責任編輯：xj

原文標題：噴射印刷，構建復雜的微流控回路

文章出處：【微信公眾號：MEMS】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。