微(wei)流(liu)控芯(xin)片檢測(ce)性能(neng)跨級(ji)提(ti)升！雙(shuang)精度(du)3D打印(yin)成科(ke)研(yan)團(tuan)隊“神(shen)助攻”

在(zai)疾(ji)病(bing)診(zhen)斷(duan)與生(sheng)物(wu)醫(yi)學研(yan)究領(ling)域，單細胞(bao)分析(xi)是(shi)解析(xi)細胞(bao)異質(zhi)性(xing)的(de)關鍵(jian)工具。傳統的單細胞(bao)分析(xi)手(shou)段(duan)，如光(guang)學顯(xian)微(wei)鏡(jing)或流式(shi)細胞(bao)術(shu)，常因(yin)操作(zuo)復雜(za)、成本(ben)高昂或侵入(ru)性(xing)強等(deng)限(xian)制，難(nan)以滿(man)足高通量(liang)、高靈敏度(du)的研(yan)究需(xu)求。阻(zu)抗與介電光(guang)譜（IDS）技術(shu)作(zuo)為壹(yi)種非(fei)侵入(ru)、可實時監(jian)測(ce)且具備高通量(liang)潛力(li)的方法(fa)，已(yi)成(cheng)為(wei)單細胞(bao)分析(xi)的(de)重(zhong)要(yao)技術(shu)路(lu)徑。其(qi)原理(li)是(shi)當(dang)細胞(bao)或顆(ke)粒(li)通過(guo)微(wei)流道(dao)中電(dian)極(ji)產生(sheng)的(de)電場時，會擾動電(dian)場並產生(sheng)與其(qi)自身(shen)電(dian)學特(te)性及空(kong)間(jian)位置相對(dui)應的電(dian)信(xin)號(hao)。然而(er)，在非(fei)均勻(yun)電(dian)場中，顆(ke)粒(li)若(ruo)在垂(chui)直(zhi)方(fang)向(xiang)上(shang)發生(sheng)偏(pian)移(yi)，會顯著(zhu)影響電(dian)場分布(bu)的(de)對(dui)稱(cheng)性，導(dao)致(zhi)信(xin)號(hao)振幅(fu)失(shi)真(zhen)，從(cong)而(er)降低檢(jian)測(ce)的準(zhun)確(que)性與可重(zhong)復性(xing)。

為(wei)解決(jue)這壹(yi)難題(ti)，來(lai)自曼(man)徹(che)斯特大學與墨爾本(ben)大學的聯合研(yan)究團(tuan)隊設計了(le)壹種(zhong)集成(cheng)噴(pen)嘴(zui)結(jie)構的(de)3D打印(yin)微流(liu)控芯片，通過(guo)兩(liang)級(ji)鞘(qiao)流實(shi)現可調(tiao)的三維流體動(dong)力學聚(ju)焦。該(gai)研(yan)究以“Precision flow focusing in 3D printed microchannels for enhanced impedance spectroscopy"為(wei)題，發(fa)表於國(guo)際(ji)期(qi)刊《Sensors and Actuators B: Chemical》上(shang)。

該創新微流控芯(xin)片(pian)的(de)核心(xin)在(zai)於(yu)其(qi)獨特的(de)噴(pen)嘴(zui)結(jie)構，該(gai)結(jie)構能(neng)夠將(jiang)樣(yang)本(ben)流主動擡(tai)升至(zhi)微(wei)通道(dao)底(di)部(bu)上(shang)方，有效(xiao)避免(mian)了(le)顆(ke)粒(li)與通道(dao)壁(bi)面(mian)的非特異性相互(hu)作用。結(jie)合(he)自上(shang)而(er)下的(de)鞘(qiao)流約(yue)束(shu)和(he)下遊(you)收縮(suo)段的(de)聚焦效(xiao)應，該系(xi)統(tong)實現了顆(ke)粒(li)在(zai)通過(guo)傳(chuan)感區(qu)域時的三(san)維精確(que)定位。而(er)實現這壹(yi)復雜(za)三維結(jie)構的(de)關鍵(jian)制造技術(shu)，正(zheng)是(shi)摩(mo)方(fang)精密(mi)的面(mian)投(tou)影微立(li)體光(guang)刻（PμSL）技術(shu)和(he)復合(he)精度(du)光(guang)固(gu)化(hua)3D打印(yin)技術(shu)。研(yan)究團(tuan)隊采(cai)用摩(mo)方(fang)精密(mi)microArch® D1025（精度(du)：10&25μm）3D打印(yin)系(xi)統(tong)，以HTL樹(shu)脂為(wei)材(cai)料，壹(yi)次性(xing)成(cheng)功(gong)成(cheng)型了包(bao)含(han)120μm半徑噴(pen)嘴(zui)、800μm寬主通道(dao)以及(ji)100μm寬收縮(suo)段的(de)多尺度(du)集成(cheng)微(wei)流控(kong)芯片。

如圖1所示(shi)，通過(guo)調(tiao)節流量比(bi)Q2/Qt，粒(li)子(zi)可被精確(que)地(di)推(tui)向(xiang)電(dian)極(ji)附(fu)近(jin)，而(er)無需(xu)依賴(lai)淺通道(dao)或復雜(za)電極(ji)配置。這種(zhong)可調(tiao)諧性使(shi)得(de)系(xi)統(tong)能夠適應不同應用場景，從(cong)細胞(bao)分析(xi)到(dao)化(hua)學檢(jian)測(ce)，均表現出優(you)異(yi)的(de)適(shi)應性。

進壹步地(di)，圖2詳(xiang)細闡釋了三維流體聚(ju)焦的機制。系(xi)統(tong)采(cai)用三階段(duan)聚焦(jiao)策略：首(shou)先(xian)，鞘(qiao)流F1與噴(pen)嘴(zui)結(jie)合(he)實現側向和(he)部(bu)分垂(chui)直(zhi)聚(ju)焦(jiao)；其(qi)次(ci)，頂部(bu)鞘(qiao)流F2增(zeng)強垂(chui)直(zhi)約(yue)束(shu)；最後，下遊(you)收縮(suo)段鞏固(gu)整體聚(ju)焦效(xiao)果。這種(zhong)配置確保了粒(li)子(zi)在(zai)通過(guo)傳(chuan)感區(qu)域時始(shi)終靠(kao)近(jin)共面(mian)電極，從(cong)而(er)優化(hua)信(xin)號(hao)采(cai)集。

通過(guo)熒(ying)光(guang)成像(xiang)和(he)阻(zu)抗光(guang)譜學(xue)實(shi)驗，研(yan)究團(tuan)隊驗證(zheng)了聚(ju)焦(jiao)效(xiao)率。圖3展(zhan)示(shi)了(le)模(mo)擬(ni)結(jie)果(guo)，揭示(shi)了(le)微(wei)通道(dao)結(jie)構對(dui)流體動(dong)力學的(de)影響。當(dang)流量比(bi)Q1/Qs從(cong)0.99變化(hua)至100時，聚焦(jiao)寬度(du)可在0.07至(zhi)0.65倍通道(dao)寬度(du)間調(tiao)節，體現了高度(du)的可調(tiao)性。同時，垂直(zhi)聚(ju)焦(jiao)通過(guo)共聚(ju)焦顯微鏡(jing)量(liang)化(hua)，顯示(shi)在(zai)Q2/Qt=0.9時，粒(li)子(zi)距(ju)電極距離可降至(zhi)10μm以下，顯(xian)著(zhu)提(ti)升信(xin)號(hao)質量(liang)。

實(shi)驗部(bu)分采(cai)用熒光(guang)微球(qiu)作(zuo)為模(mo)型(xing)系(xi)統(tong)，在總(zong)流(liu)量固(gu)定為100 μL/min的(de)條(tiao)件(jian)下，通過(guo)調(tiao)節鞘(qiao)流比(bi)例(li)實(shi)現粒(li)子(zi)定位。圖4的(de)熒(ying)光(guang)成像(xiang)結(jie)果(guo)直(zhi)觀呈(cheng)現了側向和(he)垂直(zhi)聚(ju)焦(jiao)的(de)效(xiao)果。隨(sui)著Q2/Qt的(de)增加，粒(li)子(zi)流(liu)高度(du)逐漸(jian)降(jiang)低，寬度(du)略有增加，但(dan)收縮(suo)區(qu)域有效(xiao)抵消了這種(zhong)擴散(san)，確保粒(li)子(zi)在(zai)傳感區(qu)域內保持緊(jin)密聚(ju)集。這種(zhong)設計在(zai)300μm通道(dao)中實(shi)現了聚(ju)焦(jiao)流(liu)尺(chi)寸(cun)從(cong)71×70.5至121×10.95μm的(de)動態範圍，適用於多種(zhong)粒(li)子(zi)尺(chi)寸。

在電(dian)學表征中，阻(zu)抗信(xin)號(hao)幅度(du)隨(sui)粒(li)子(zi)垂(chui)直(zhi)位(wei)置變化(hua)，模擬(ni)與實(shi)驗數(shu)據(ju)高度(du)吻(wen)合(he)。圖5展(zhan)示(shi)了(le)測(ce)量設置和(he)結(jie)果(guo)，當Q2/Qt=0.9時，信(xin)噪(zao)比(bi)達到(dao)峰值17.38 dB，且(qie)信(xin)號(hao)變異(yi)性低。統(tong)計(ji)分析顯示(shi)，所有(you)流(liu)量(liang)條(tiao)件(jian)間均存在(zai)顯著差異，凸(tu)顯了優(you)化(hua)垂直(zhi)聚(ju)焦(jiao)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)。這壹(yi)發現為阻(zu)抗細胞(bao)術(shu)提(ti)供(gong)了可靠(kao)基(ji)礎(chu)，無需(xu)依賴(lai)復雜(za)後處(chu)理(li)即(ji)可實現高精度(du)檢測(ce)。

在(zai)本(ben)項(xiang)研(yan)究裏，摩(mo)方(fang)精密(mi)的多精度(du)制造能力使得(de)復雜(za)的噴(pen)嘴(zui)結(jie)構和(he)收縮(suo)區(qu)域能夠(gou)壹次成型(xing)，避(bi)免(mian)了(le)傳(chuan)統(tong)多(duo)層(ceng)光(guang)刻技術(shu)所需(xu)的復雜(za)對(dui)齊和(he)鍵(jian)合步驟，不僅簡(jian)化(hua)了制造流程(cheng)，也增強了(le)器(qi)件的(de)整(zheng)體性(xing)和(he)功(gong)能(neng)集成(cheng)度(du)，為微流控芯片(pian)的設計提(ti)供(gong)了幾(ji)何靈活(huo)性(xing)與快速(su)原(yuan)型驗證(zheng)能力(li)。

作(zuo)為摩(mo)方(fang)精密(mi)高技術(shu)水平的(de)雙精度(du)microArch® Dual系(xi)列(lie)設備（D0210、D1025），創新實現了同層(ceng)（XY軸(zhou)方(fang)向）和(he)不同層(ceng)（Z軸(zhou)方(fang)向）均能實(shi)現不同精度(du)的切(qie)換(huan)打印(yin)，並依舊保持了(le)超高精密(mi)、超高公(gong)差控制能(neng)力，全新搭載自動(dong)水平調(tiao)節系(xi)統(tong)，使工業級(ji)3D打印(yin)更智(zhi)能(neng)、更(geng)穩(wen)定、更高效(xiao)。在打印(yin)尺度(du)方面(mian)，該系(xi)列(lie)實現了從(cong)2μm到(dao)100mm×100mm×50mm的跨尺(chi)度(du)精密(mi)加工能力(li)，突(tu)破傳(chuan)統(tong)制造在尺寸與精度(du)上(shang)的協同局(ju)限(xian)。在(zai)快速(su)原(yuan)型制作(zuo)領域，這壹(yi)能力(li)為生(sheng)物(wu)醫(yi)療、精密(mi)電子(zi)、5G通信(xin)、半導(dao)體等(deng)高精尖行(xing)業的(de)創新研(yan)發(fa)，提(ti)供(gong)了兼(jian)具高速響應、靈活(huo)叠代(dai)與顯(xian)著降(jiang)本(ben)增效(xiao)的全(quan)新解決(jue)方案(an)。

隨(sui)著精準(zhun)醫(yi)療邁向個體化(hua)診療(liao)新階段，摩(mo)方(fang)精密(mi)持續(xu)加碼研(yan)發(fa)投(tou)入(ru)，致(zhi)力(li)於(yu)推(tui)動(dong)微(wei)納(na)3D打印(yin)技術(shu)向(xiang)更高水平演進。未(wei)來(lai)，摩(mo)方(fang)精密(mi)將通過(guo)提(ti)供(gong)兼具超高精度(du)與高度(du)定制化(hua)能力(li)的(de)精密(mi)制造解決(jue)方案(an)，在(zai)更(geng)廣(guang)闊的前(qian)沿領域發揮(hui)關(guan)鍵(jian)作用，從(cong)個性化(hua)醫療(liao)設備到(dao)定制化(hua)傳感(gan)器(qi)，從(cong)微型(xing)光(guang)學元(yuan)件(jian)到(dao)微流(liu)控系(xi)統(tong)，為科研(yan)探索與產業升級(ji)提(ti)供(gong)關鍵(jian)支撐(cheng)。