IVD新思路！3D打印实现自加热微流体设备

近日，麻省理工学院的研究人员向外界宣布，已经使用3D打印生产出自加热微流体设备，展示了一种可实现快速而准确检测多种疾病且成本低廉的技术。研究人员的这种方法称为“一步制造”工艺，可以快速生产出微型化学反应器，用于检测疾病或分析物质。

微流体是一种微型机器，可以操纵流体并促进化学反应，用于检测微小血液或流体样本中的疾病。例如，新冠肺炎的即时检测试剂盒里就有一种简单类型的微流体。但许多微流体应用需要在特定温度下进行的化学反应。这些更复杂的微流体设备通常在洁净室中制造，需要复杂而昂贵的制造工艺，因此难以扩大规模。

相反，麻省理工学院团队利用多材料3D打印技术，通过新工艺制造出内置加热元件的自加热微流体设备。当流体流经微型机器内部的微小通道时，新设备可以将流体加热到特定温度。

研究团队声称，这项技术是可定制的，因此工程师制造出的微流体设备可以在特定区域内将流体加热到特定温度或按照给定的加热曲线进行加热。这种低成本制造工艺只需约2美元的材料成本，就能制造出一个即用型的自加热微流体设备。

在发展中国家的偏远地区，临床医生可能无法获得许多诊断程序所需的昂贵实验室设备，而这种工艺尤其有助于为这些地区制造自加热微流体。特别是通常制造这些设备的无尘室，其建造和运行成本高得惊人。现在可以利用增材制造技术制造出功能强大的自加热微流体设备，而且比传统方法更快、更便宜。

麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席科学家、研究论文资深作者Luis Fernando Velásquez-García说：这确实是使这种技术平民化的一种方法。论文第一作者Jorge Cañada Pérez-Sala是电气工程和计算机科学专业的研究生，他也是论文的共同作者。这项研究将在本月举行的PowerMEMS会议上发表。

麻省理工学院的研究人员开发出一种制造工艺，利用多材料3D打印机一步就能制造出自加热微流体设备。图为其中的一个装置实例

绝缘体变为导电体
这种新的制造工艺采用了一种名为多材料挤出3D打印的技术，通过打印机的多个喷嘴喷射多种材料，逐层制造出一个设备。这种工艺是整体式的，这意味着整个设备可以在3D打印机上一步完成，无需任何后期组装。

为了制造自加热微流体，研究人员使用了两种材料：一种是3D打印中常用的生物可降解聚合物聚乳酸（PLA），另一种是聚乳酸的改良版。Velásquez-García解释说，改性聚乳酸在聚合物中混入了纳米铜粒子，从而将这种绝缘材料转化为导电体。当电流输入由这种掺铜聚乳酸组成的电阻器时，能量就会以热量的形式散失。

“这太神奇了，因为聚乳酸材料是一种电介质，但当你加入这些纳米颗粒杂质后，它的物理性质就完全改变了。这一点我们还不完全清楚，但它确实发生了，而且是可重复的。”Velásquez-García谈到。

利用多材料3D打印机，研究人员用掺铜聚乳酸制造了一个加热电阻器，然后在直接打印出微流体设备。微流体设备上有微小通道，流体可以通过这些通道流动。这些组件由相同的基础材料制成，因此它们的打印温度相似，可以兼容。

电阻器散出的热量将加热流经微流体通道的液体。除了电阻器和微流体，他们还用打印机在它们之间添加了一层薄而连续的聚乳酸。制造这层材料尤其具有挑战性，因为它必须足够薄，这样热量才能从电阻器传递到微流体，但又不能太薄，以免流体泄漏到电阻器中。

制造出的小装置大约只有25美分硬币的大小，可以在几分钟内完成。宽约500微米、高约400微米的通道穿过微流体，以输送流体并促进化学反应。重要的是，聚乳酸材料是半透明的，因此装置中的流体仍然可见。Velásquez-Garcíae解释说，许多过程都依赖于肉眼查看或推断化学反应过程中发生了什么。

可定制的化学反应器
研究人员利用一步式制造工艺制造出一种原型，当流体在输入端和输出端之间流动时，它能将流体加热4℃。这种可定制的技术能够制造出以特定模式或沿特定梯度加热流体的装置。

Velásquez-Garcíae表示：你可以用这两种材料制造出完全符合要求的化学反应器。我们可以设置一个特定的加热曲线，同时还拥有微流体的所有功能。不过，聚乳酸只能加热到约50℃才会开始降解，这也是一个限制因素。许多化学反应，如聚合酶链反应（PCR）测试中使用的反应，需要90℃或更高的温度。为了精确控制设备的温度，研究人员需要集成第三种能够感知温度的材料。

除了在未来的工作中解决这些限制外，Velásquez-García还希望直接在微流体设备中打印磁铁。这些磁铁可以实现需要对粒子进行分类或排列的化学反应。与此同时，他和同事们还在探索使用其他可以达到更高温度的材料。他们还在研究聚乳酸，以便更好地理解为什么在聚合物中加入某些杂质后聚乳酸会导电。

Velásquez-García补充说：“如果我们能了解与聚乳酸导电性有关的机理，这将大大提高设备的能力，但这将比其他一些工程问题更难解决。”“Cañada和Velasquez-Garcia提出的单片3D打印微流体系统体现了简洁和美感，提供了一系列潜在的衍生和应用，并预见到了未来的发展前景。”东京庆应义塾大学机械工程学教授Norihisa Miki这样评论。

新的工艺方法能够直接打印出同时具有流体通道和电气特性的微流体芯片，为处理生物样本（如放大生物标记物或驱动和混合液体）开辟了未来可期的应用前景。瑞典KTH皇家理工学院副教授Niclas Roxhed补充说：此外，由于聚乳酸会随着时间的推移而降解，我们甚至可以考虑植入式应用，让芯片随着时间的推移而溶解和吸收。