新型非接触微流控回路 可按需喷射印刷微流控器件

微流控器件极大地推动了生命科学领域的生物医学研究。不过，在生物实验室应用和快速生产方面，这项技术还不是最理想的状态。例如，传统微流控器件的固体不透明侧壁阻碍了生物学家为其生物样本提供足够的物理和光学通道。

       因此，越来越需要优化设计的微流控器件来实现更高效的工作流。在一项新的研究中，英国牛津大学的Cristian Soitu及其研究小组开发了一种新型非接触微流控回路（microfluidics circuit）制造方法。

       据麦姆斯咨询报道，该研究小组采用标准的培养皿平台，利用常用的生物实验室工具在平台上开发微流控回路，这些工具包括注射泵、分配针、细胞培养基以及氟碳化合物（FC40）（一种可以自由渗透氧气和二氧化碳的材料）等。在实验中，他们在培养皿上通过分配针“喷射”FC40，能够在几分钟内重复制造复杂且高度精确的微流控结构。这项技术可以使生物医学领域的一些常见工作流小型化，并且方法更灵活多样，非常适合在生物医学领域广泛应用。这项研究现已发表于Advanced Science。

       按需喷射印刷微流控器件

       这项研究的主要作者Cristian Soitu评价这项新颖的技术是“一种使用生物实验室常见材料以非接触方式构建微流控侧壁的廉价方法”。关于该技术的速度和性能，他补充说，“可以快速地将这种微流控侧壁构建到任何可以想象的二维回路中。作为概念验证，他们在30分钟内就用微孔板构建了一个人体循环系统。这项新的研究基于同一研究小组之前的研究成果——“自由流体技术”，以流体为基础，并用流体壁而不是固体壁来限制液体。

在细胞克隆过程中突破泊松极限

这种新方法的一个关键特点是可以克服哺乳动物细胞培养克隆过程中的泊松极限。泊松统计表明，在细胞分裂和克隆后，微孔板中跨孔培养的大多数细胞会被丢弃，从而造成细胞和试剂的浪费。这种新型喷射印刷方法，可以帮助研究人员突破泊松极限，通过构建隔离孔（称为Voronoi区），在新鲜培养基中稳定地传代培养哺乳动物细胞一周，然后收集克隆细胞。
 
       传统的开放式微流控器件也可以集成到生物医学工作流中，但是，它们需要基底蚀刻、表面处理、接触或限制流体及生物结构等综合手段。如此复杂的制造过程阻碍了生物学家的应用，他们更倾向不影响生物相容性的高效、灵活的原型设计。因此，新型喷射印刷技术可以提供一种新的实践方法来克服现有微流控技术的局限性。

       实验方案

       在实验中，研究人员在一个标准的组织培养皿底部覆盖了一层细胞生长培养基和一层FC40以防止蒸发。通过横向移动微型喷嘴，他们在不到两分钟的时间内就在培养皿上的FC40层上构建了一个具有256个腔室的网格。在这种非接触方法中，喷嘴不接触培养皿或培养基，从而防止了交叉污染。传统的微流控系统是高度专业化且内置的，因此很难集成到现有的工作流中。

       相比之下，这种在标准培养皿中喷射的灌注回路可以在15分钟内灌注供给成肌细胞（肌肉细胞的胚胎前体），并在一周内生成肌管。Soitu等人还强调，由于全部或部分菌落会通过FC40喷射过程转移到新的腔室中，这种技术在不使用胰蛋白酶/EDTA的情况下具有细胞传代培养的能力。因此，这种方法使他们可以在单个菌落生长的过程中多次取样。

96孔UniWell培养板上的人体循环系统，在主要的“动脉”和“静脉”中注入红色和蓝色染料，并在系统中流动/扩散

新方法的可重复性

       为了证明这种方法的可重复性，研究小组用喷射法构建了星形腔室形式的侧壁，一种方形类似希尔伯特曲线的连续壁，或是一个微流控迷宫，引入蓝色染料以解决迷宫并找到出口。该方法不局限于规定的培养基，还可以用全血替代进行特定的实验。

其图案可包括“人体循环系统”，甚至荷兰科学思维版画大师M.C. Escher的“圆极限IV”（Circle Limit IV，又称天堂和地狱）。凸显了该技术能够重现几乎所有先前图案的潜力。其构建的流体侧壁足够稳定，因此，研究人员可以像其它装满液体的培养皿一样，拿着它们在实验室、培养箱和显微镜之间来回操作。

       构建恒定流量的复杂灌注回路

       研究小组通过喷射印刷技术设计了一个复杂的微流控回路，可以在7天内提供稳定的新鲜培养基流，以维持细胞在一系列腔室中的生长。然后，他们利用小鼠成肌细胞演示了回路的性能，这些成肌细胞在7天内分化为成熟的肌管。如果需要，研究小组可以通过构建新的FC40侧壁来断开任何腔室与相邻回路的连接。
 

连续培养48组分化成肌细胞的灌注回路

综上，Cristian Soitu及其同事开发了一种能够在标准聚苯乙烯培养皿上快速精确地构建微流控回路的技术。研究团队通过实验证明：（1）可以在数秒到数分钟内构建任何可想象的二维形状的稳定微流控回路；（2）在不使用外部泵的情况下，通过导管驱动流体；（3）构建可随意打开和关闭的阀门。

       该方法的主要特点是使生物学家能够突破泊松极限，构建稳定的灌注系统，并在不使用常规试剂（如胰蛋白酶/EDTA）的情况下对附着细胞进行传代培养。接下来，研究小组将进一步优化该技术，并克服现有的限制，以构建更小的微流控回路，同时保留微量化的培养基。预计，该方法的多样性和灵活性将使其在生物医学领域获得广泛应用。

       责任编辑：xj

原文标题：喷射印刷，构建复杂的微流控回路

文章出处：【微信公众号：MEMS】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。