3D打印微型旋转过滤器，可重复用于芯片实验室的微粒过滤
2021-06-19 09:36:19 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
由中国科学技术大学、合肥工业大学和日本理化学研究所光量子工学研究中心研究人员组成的一支国际研究团队制造了一款微型磁驱动旋转过滤器，可用于过滤芯片实验室器件内的微粒。他们通过开发一种可用于高精度3D打印（双光子聚合技术）的磁性材料，制作了该款微型旋转过滤器。
中国科学技术大学等科研单位的研究人员开发出一款微型磁驱动旋转过滤器，以过滤芯片实验室微流控器件内的微粒。
用于微流控通道的微型磁驱动旋转过滤器，这款过滤器宽仅70微米，高只有60微米，两个侧翼布有很多6.5微米的方形开口（图片来源：中国科学技术大学，比例尺：10微米）
据麦姆斯咨询报道，由中国科学技术大学、合肥工业大学和日本理化学研究所光量子工学研究中心（RIKEN Center for Advanced Photonics，RAP）的研究人员组成的一支国际研究团队制造了一款微型磁驱动旋转过滤器，可用于过滤芯片实验室（lab-on-a-chip）器件内的微粒。他们通过开发一种可用于高精度3D打印（双光子聚合技术）的磁性材料，制作了该款微型旋转过滤器。
据研究人员介绍，微流控芯片，或称为芯片实验室器件，可在仅几平方厘米或更小的芯片上执行多种实验室功能。该类器件可用于众多生物医疗领域，例如筛选具有治疗潜力的药物分子、通过血液检测来发现疾病等。
“通过改变外部磁场的方向，我们制造的微型磁驱动旋转过滤器可以实现远程操作，按需过滤特定大小的微粒。”中国科学技术大学的研究人员吴东介绍说，“该功能可用于芯片实验室器件在化学和生物方面的多种研究工作，重要的是，该滤波器可以被重复使用。”
该研究团队表示，这款微型磁驱动旋转过滤器可以在芯片实验室器件中对微粒进行高效分选。
“这款微型过滤器可用于分类不同大小的细胞，例如分离循环肿瘤细胞（CTC）并进行分析，或检测预示可能患病的异常细胞。”中国科学技术大学的研究人员王朝炜说道，“随着进一步研究，该微型过滤器甚至可以作为癌症检测的器件植入人体内。”
带有微米级孔径的过滤器常用于微流控芯片，作为一种根据孔径大小对微粒或细胞进行分选的方法。然而，由于微型过滤器中孔的数量和形状不能动态改变，现有器件对不同类型的微粒或细胞缺乏按需分类的灵活性。为了扩大微流控芯片的用途，该研究团队开发了一款可以在选择性过滤和“通过”等模式之间自由切换的微型过滤器。
该研究团队利用双光子聚合（Two-photon polymerization，TPP）技术制造了该款微型过滤器。双光子聚合是一种基于光敏材料（光刻胶）同时吸收两个光子的非线性光学过程，该项技术可以高于光衍射极限的精度制造任意3D结构。最终结构材料不仅限于聚合物，例如通过二次化学转化过程可将材料转化为硅。
双光子吸收需要高光强——这是由高度聚焦的飞秒激光束来实现的。由于双光子吸收强度与光强的平方成正比，双光子吸收仅仅在光束聚焦处发生，从而提供很高的空间分辨率。同样地，光刻胶仅仅在光束的椭圆焦点处发生聚合，被称为“体素”（Voxel）。通过利用激光在三维空间内扫描光刻胶可以逐个体素“写出”目标结构。在双光子聚合过程中，材料周围的氧气在某种程度上淬灭自由基，使得最小特征尺寸可达100nm左右。双光子聚合的另一个优点是，许多聚合物在近红外波段线性吸收几乎为零，这使得该波段激光可深入渗透到材料内部。这两个优点使得其余方法无法实现的纳米结构得以生成。
为了制造这款微型过滤器，研究人员合成了磁性纳米粒子，并将其与光刻胶混合，并且还需要优化用于双光子聚合的激光功率密度、脉冲数和扫描间隔。在载玻片上测试其磁驱动特性之后，研究人员将微型过滤器集成到芯片实验室器件中。
为了过滤较大的微粒，研究人员先采用垂直于微通道的磁场，利用过滤器“滞留”大微粒。过滤过程完成之后，可以通过施加一个平行于微通道的磁场，将过滤器旋转90度，以清除大微粒，从而可以根据需要再进行下一次过滤操作。
研究人员利用直径为8.0微米和2.5微米的聚苯乙烯微粒，混合在酒精溶液中，验证了微型过滤器的过滤性能。
“很明显，小于孔径的微粒很容易通过这款微型过滤器，而较大的微粒则被滤出。”中国科学技术大学的研究人员张晨初说道，“当切换到‘通过’模式，过滤器捕获的大微粒都会被流体冲走，这防止了过滤器被堵塞，并实现了过滤器的重复使用。”
该研究成果已发表在Optics Letters期刊上。
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