微流控器件極大地推動了生命科學(xué)領(lǐng)域的生物醫(yī)學(xué)研究。不過，在生物實驗室應(yīng)用和快速生產(chǎn)方面，這項技術(shù)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(cè)壁阻礙了生物學(xué)家為其生物樣本提供足夠的物理和光學(xué)通道。

因此，越來越需要優(yōu)化設(shè)計的微流控器件來實現(xiàn)更高效的工作流。在一項新的研究中，英國牛津大學(xué)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(jù)麥姆斯咨詢報道，該研究小組采用標(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(nèi)重復(fù)制造復(fù)雜且高度精確的微流控結(jié)構(gòu)。這項技術(shù)可以使生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。這項研究現(xiàn)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(shù)是“一種使用生物實驗室常見材料以非接觸方式構(gòu)建微流控側(cè)壁的廉價方法”。關(guān)于該技術(shù)的速度和性能，他補充說，“可以快速地將這種微流控側(cè)壁構(gòu)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(nèi)就用微孔板構(gòu)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(shù)”，以流體為基礎(chǔ)，并用流體壁而不是固體壁來限制液體。

在細(xì)胞克隆過程中突破泊松極限

這種新方法的一個關(guān)鍵特點是可以克服哺乳動物細(xì)胞培養(yǎng)克隆過程中的泊松極限。泊松統(tǒng)計表明，在細(xì)胞分裂和克隆后，微孔板中跨孔培養(yǎng)的大多數(shù)細(xì)胞會被丟棄，從而造成細(xì)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(gòu)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(xì)胞一周，然后收集克隆細(xì)胞。

傳統(tǒng)的開放式微流控器件也可以集成到生物醫(yī)學(xué)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(jié)構(gòu)等綜合手段。如此復(fù)雜的制造過程阻礙了生物學(xué)家的應(yīng)用，他們更傾向不影響生物相容性的高效、靈活的原型設(shè)計。因此，新型噴射印刷技術(shù)可以提供一種新的實踐方法來克服現(xiàn)有微流控技術(shù)的局限性。

實驗方案

在實驗中，研究人員在一個標(biāo)準(zhǔn)的組織培養(yǎng)皿底部覆蓋了一層細(xì)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(nèi)就在培養(yǎng)皿上的FC40層上構(gòu)建了一個具有256個腔室的網(wǎng)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(nèi)置的，因此很難集成到現(xiàn)有的工作流中。

相比之下，這種在標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)皿中噴射的灌注回路可以在15分鐘內(nèi)灌注供給成肌細(xì)胞（肌肉細(xì)胞的胚胎前體），并在一周內(nèi)生成肌管。Soitu等人還強調(diào)，由于全部或部分菌落會通過FC40噴射過程轉(zhuǎn)移到新的腔室中，這種技術(shù)在不使用胰蛋白酶/EDTA的情況下具有細(xì)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(fù)性

為了證明這種方法的可重復(fù)性，研究小組用噴射法構(gòu)建了星形腔室形式的側(cè)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(xué)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(shù)能夠重現(xiàn)幾乎所有先前圖案的潛力。其構(gòu)建的流體側(cè)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(gòu)建恒定流量的復(fù)雜灌注回路

研究小組通過噴射印刷技術(shù)設(shè)計了一個復(fù)雜的微流控回路，可以在7天內(nèi)提供穩(wěn)定的新鮮培養(yǎng)基流，以維持細(xì)胞在一系列腔室中的生長。然后，他們利用小鼠成肌細(xì)胞演示了回路的性能，這些成肌細(xì)胞在7天內(nèi)分化為成熟的肌管。如果需要，研究小組可以通過構(gòu)建新的FC40側(cè)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(xì)胞的灌注回路

綜上，Cristian Soitu及其同事開發(fā)了一種能夠在標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯培養(yǎng)皿上快速精確地構(gòu)建微流控回路的技術(shù)。研究團隊通過實驗證明：（1）可以在數(shù)秒到數(shù)分鐘內(nèi)構(gòu)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(dǎo)管驅(qū)動流體；（3）構(gòu)建可隨意打開和關(guān)閉的閥門。

該方法的主要特點是使生物學(xué)家能夠突破泊松極限，構(gòu)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(xì)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(shù)，并克服現(xiàn)有的限制，以構(gòu)建更小的微流控回路，同時保留微量化的培養(yǎng)基。預(yù)計，該方法的多樣性和靈活性將使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：噴射印刷，構(gòu)建復(fù)雜的微流控回路

文章出處：【微信公眾號：MEMS】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。