原创 微流控技术三十年发展史(五)

2023-1-20 10:58 368 0 分类: 工业电子

5.3. 开放式微流控技术

微流控领域的另一个新兴领域是开放式微流控。最常见的配置是David Juncker等人开发的微流控探头(MFP)的形式。2005年。MFP同时注入和吸入处理液,在其孔之间产生不与周围介质对流混合的液体射流。这被称为流体动力受限流动,允许试剂局限在样品的一小块区域,而不需要封闭的通道,这些通道容易堵塞,可能会引入气泡,并具有高流体动力阻力,从而降低设备的灵敏度。这还允许MFP在高空间分辨率的液体环境中进行化学研究,从而允许在现场进行细胞研究。多功能一体机的设计和工作原理见图8A。此外,MFP设置可以集成到标准光学显微镜中,以允许对过程进行实时监控。目前开放的微流控技术是一个吸引人们极大兴趣的领域,这项技术的例子包括单细胞分析(图8B)、单细胞药理学、免疫组织化学和生物图案化,从而突出了它作为生命科学工具的灵活性。

8.微流控探头示意图(Aa)和照片(Ac)显示流体吸入和吸入通道以及位于目标底物上方的顶端。AB显示了探头的示意图,该探头具有在浸没液体中产生流动限制区域所需的典型流速和距离。。BA说明了如何使用MFP从培养物中移除单个细胞,而BB、BC和Bd分别显示了该过程的前、中和后图像。BE以定义的图案显示使用MFP选择性染色的细胞,插图显示相位对比度和荧光图像的重叠

5.4. 器官芯片

也许目前发展最迅速、研究最深入的微流控领域是器官芯片,这些系统是微流控细胞培养设备,其中包含模拟器官组织的活细胞。与传统的二维细胞培养相比,这种设备有许多潜在的好处。也就是说,2D培养在空间组织方面不能准确地代表体内细胞的组织,因此不能期望准确地模拟细胞的行为。此外,最近的三维培养技术缺乏对细胞反应重要的机械线索,而且收集用于分析的生物材料可能会被证明是困难的。另一方面,芯片上的器官系统旨在包含定义大多数器官的许多功能。也就是说,将细胞类型和持续的介质灌流分开的多孔膜--流体的持续流动还提供了类似于血液流动对细胞施加的力的剪切力,从而提供了更完整的器官行为模型。早期的研究集中于观察具有一种细胞类型的单个灌注室,然而,随着知识的进步,由多种细胞类型组成的更复杂的系统被开发出来,以重建体内细胞和组织之间的界面。将微流控和微制造与细胞培养相结合的能力还伴随着大量的其他优势。微流体的物理学意味着研究人员可以更好地控制设备中的流体流动。微通道中的层流已被用来在化学品中产生浓度梯度,以监测细胞迁移等行为。此外,用于制造这些芯片的微制造方法意味着它们与传感器兼容,这将允许更好地监控培养物,并允许对细胞进行更大程度的控制。这种制造方法还意味着有可能制造出提供类似于血管或肺中所见的周期性机械应变的装置。此外,电极可以被结合到设备中,以提供已用于脑组织研究的电场。此外,可以想象,从患者的细胞创建芯片上的器官系统是可能的,这将允许个性化药物的开发和测试。此外,芯片上的器官装置可以串联起来,生产芯片上的人系统,可以用来监测器官与器官的相互作用。Viravaidya和Shuler已经朝着这个目标迈出了一步,他们展示了一种设备,该设备具有用于肝脏、肺、脂肪和“其他组织”细胞的单独腔室,以期更好地了解器官之间分子的生物积累。器官芯片系统的其他例子包括肌肉芯片、骨骼芯片、血管芯片、肺芯片(图9A)、肠道芯片(图9B)和心脏芯片。目前,器官芯片类型的设备不能完全复制更复杂的器官系统的真实功能,因此突出了需要做更多工作的必要性。目前器官芯片研究的缺陷包括使用PDMS,如前所述,它有可能吸附可能对培养产生影响的小分子。此外,目前的微制造技术需要大量的工程知识和设备,这使得许多研究人员无法掌握这项技术。然而,由于器官芯片的所有潜在好处,可以想象,在不太遥远的将来,这些设备可能会取代动物测试,从而降低药物试验的成本和时间要求。罗卡尔、普罗布斯特和洛斯基尔还假设,单个器官芯片可以结合在一起,创建更复杂、更灵活的器官系统模型。汉密尔顿和英格伯也用图9C中所示的这个概念来假设芯片上的人系统。

 

9.在芯片上模拟肺功能的设备。AA.。PDMS微通道是在细胞外基质涂层的PDMS膜(覆盖着上皮细胞和内皮细胞)的两侧制造的,以模拟肺泡-毛细血管屏障。通过降低两侧通道中的压力来施加机械应力,以模拟呼吸周期中肺的变形。活体肺的这种物理变形显示在Ab.。B-Gut-on-a-Chip设备。芯片内部的照片(BA)和示意图(BB)。BC显示了在设备上培养的人类肠道上皮细胞的相位对比图像,而(Bd)显示了当细胞被种到膜上时设备的渗透性是如何变化的。设备内部形成的上皮细胞的共聚焦免疫荧光显微图像如BE所示。细胞核(蓝色)和绒毛蛋白(黄色)染色。扫描电子显微镜(Bf)可见细胞表面微绒毛。C-片上人的概念。代表单个器官的芯片相互连接,以更好地模拟人体。我假设,这些设备系统可以用来更好地了解药物的效果,而不需要昂贵的体内研究。

5.5. 3D打印产生了影响

尽管3D打印是在20世纪80年代发明的,但直到20世纪末,3D打印才真正在微流体领域流行起来。也许商业上最成功的3D打印技术是熔融沉积成型。在这里,热塑性塑料被加热到其玻璃化转变温度(Tg)以上,并通过喷嘴以预定的图案挤出到舞台上。在每一层完成后,舞台被下移,下一层被放置在顶部。这是许多商用3D打印机的操作方法。在研究环境方面,这项技术已被证明是制造交叉型锂离子电池外壳的可行选择,这些电池外壳可以轻松集成到MEMS中,同时足够坚固,能够承受充放电过程中扩展解决方案造成的压力。

然而,3D打印的一个新兴应用是快速而廉价地生产定制实验室设备,以取代现有设备或执行全新的协议。Leroy Cronin和他的团队描述了3D打印的“反应器皿”,其中所有的试剂、催化剂和分析硬件都被打印出来,并包含在一个密封的环境中,这意味着处理步骤及其带来的错误被降至最低。同时发现,反应室的几何形状对反应产物有显著的影响。这也导致了用于还原胺化和烷基化反应的腔室的生产,大型多金属氧酸盐的合成和金纳米颗粒的生产,以及允许在完全密封的环境中进行多步反应的印刷设备,这些设备通过改变设备的取向来控制。Comina等人。还展示了3D打印作为实验室芯片快速成型的工具,该芯片设备能够荧光和比色检测过氧化氢和葡萄糖。此外,Spivey et al.。使用基于激光的立体光刻系统创建了一个微流控系统,该系统可以捕获酵母细胞并移除任何后代,从而深入了解这些细胞的老化过程。

尽管能够在几个小时内制造出复杂的几何形状,但许多负担得起的商用3D打印机仍达不到制造微流体所需的分辨率。话虽如此,许多研究人员和业余爱好者已经能够组装自制的3D打印机,成本只有商业打印机的一小部分。自制的SLA打印机通常基于数字投影仪,可以将切片图像连续投影到浸泡在光固化树脂中的可移动构建平台上。对于这些基于投影仪的打印机,分辨率是与零件大小的权衡-也就是说,可以用打印机的大网点尺寸制作较大的零件,而使用非常精细的细节来实现小零件。这些项目得到了在上运行这些系统的许多开放源码软件包的开发的帮助。考虑到这一点,3D打印提供了一个平台,在这个平台上,可以下载开源设计的设计并在开源打印机上打印,这突显了该技术的灵活性,并增加了其在微流体行业的吸引力。

5.6. 双光子聚合光刻

与3D打印类似,双光子聚合光刻(2PPL)涉及光敏树脂的固化,以创建三维结构。然而,2ppl与3D打印的不同之处在于,红外激光在可光聚合树脂内部的3D空间中聚焦,并通过双光子吸收机制,只有激光聚焦的点被固化,从而提供比单光子技术更高的分辨率。然后,激光以预定的路径扫描通过树脂,以产生给定的三维结构。最先由Maruo等人描述。1997年,2ppl近年来被用于制造复杂的光子器件、结合微结构的微流体器件、用于监测细胞在剪应力作用下的机械转换的器件,以及由光学和微流体元件组成的器件。有了这项技术,分辨率可低至120 nm。

6. 结论:现在的领域在哪里?

在过去的30年里,微流控技术从最初的微电子工业到 技术支持设备的概念,发展迅速,发展到今天的多元化领域。现有技术的适应和新技术的发展导致了许多设备的创造,使研究人员能够以比以前更快、更高效和更自动化的方式分析系统。此外,还创造了能够观察过去技术难以捉摸的现象的设备。尽管在过去的几十年里,已经有过多的新设备取得了成果,但就其在化学和生命科学中的影响而言,微流体尚未充分发挥其潜力。这可能归因于一系列原因。

首先,在过去,微流体研究人员没有考虑他们正在创造的设备的最终用户。这导致了许多新设备的制造,但这些设备在该领域未能产生影响。如今,越来越多的工程师在设备的设计过程中与生物学家和化学家更紧密地合作,以确保它们作为研究工具的有效性,并帮助工程师找到要解决的正确问题。应继续鼓励这种类型的合作,并将其不仅扩展到微流控器件的设计和功能,而且扩展到制造协议。这将允许工程师创建可以由几乎没有制造专业知识的研究人员进行的制造过程,也不能使用专业设施。已经在3D打印等技术方面开展了工作,这种技术允许那些在制造方面没有高水平专业知识的人制造设备,并且应该开发类似的技术,将微制造从无尘室中转移出来(例如数字无掩模光刻系统)。此外,这些技术的数字本质将允许研究人员免费分享和下载设备设计,并根据自己的需求进行编辑。生物学家和化学家在微细加工技术方面的进一步教育也将使这些来自不同领域的研究人员能够设计出能够进行这种设计并制造他们自己定制的设备。这将导致微流体作为一种标准的实验工具得到更广泛的采用,而不仅仅是那些能够使用昂贵的洁净室设施的人的一种技术。通过与来自不同研究背景的人合作,微流体的影响将不会根据设备的小小或速度来判断,而是对设备促进突破性和有影响力的研究的能力。

其次,微流体仍然是一种学术工具,而不是一种商业上成功的工具。尽管已经在设备的大规模生产方面进行了一些工作,但缺乏关于设备如何集成外部分析设备并与外部分析设备通信的标准,这意味着在一个实验室设计的设备可能在另一个实验室不起作用。只有在如何将芯片连接到外部世界上达成共识后,微流控才会成为一个严肃的行业。此外,与原型相关的制造技术并不总是转化为大规模生产。从微加工母版进行PDMS铸造是目前最常见的设备原型制作方法,然而,这项技术不能扩大到制造大量部件。这种对设备制造方式的疏忽意味着,大多数微流体初创公司都失败了,因为尽管它们的原型工作得很好,但它们很难调整制造方案,以适应大规模生产。为了应对这一问题,必须致力于创建强大的制造协议,这些协议既便宜又快速,足以进行高效的原型制作,同时还提供了一条实现自动化工业规模制造的简单途径。然而,为了有必要进行这项研究,首先必须有对微流控设备的足够需求,以便与工程界合作。这只能通过解决应促进与其他研究领域的合作这一点来实现。只有在需要设备的情况下,公司才能开拓这一市场,并提供标准和定制的微流体,以加快新的研究。

过去30 年的微流控技术已经将该领域从晶体管带到了组织,如果目前与设备设计和制造相关的障碍能够被克服,那么未来30 年看起来将带来一系列新技术和有影响力的研究。

文章来源:www.whchip.com

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