纸基微流控技术用于诊断器件的快速、低成本原型制造
2022-05-28 21:17:12 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
在该研究中，研究人员设计的纸基微流控器件的功能与传统的塑料基微流控器件相似，但其突破性的采用了层压纸来制造诊断器件，以利用泵等外部压力源引导多孔微流控器件中流体的连续流动。
研究人员开发出与塑料基微流控器件功能相似的纸基微流控器件
据麦姆斯咨询报道，近日，由美国德克萨斯农工大学（Texas A&M University）阿蒂·麦克费林化学工程系（Artie McFerrin Department of Chemical Engineering）的副教授Zachary Gagnon博士和研究生Md Nazibul Islam领导的一支研究团队，开发出一种利用低成本聚合物层压纸基微流控技术制造诊断器件的新方法，该方法可以进行快速原型制造，并最终实现器件的规模化生产。该项研究以封面文章发表在Analyst期刊上。
微流控是研究流体通过微通道的运动以及如何控制这种运动以实现其市场化应用的技术，目前已成功应用于妊娠和新冠肺炎（COVID-19）检测等诊断器件。具体来看，这些微流控器件包含微泵、微阀、微针和微通道/微孔芯片等，例如微泵可将液体移动至芯片的微通道中，使其在微通道流动的过程中与诊断试剂发生化学反应。
例如，在进行COVID-19聚合酶链反应（PCR）检测时，唾液或粘液样本通过芯片上的微通道进入微孔，病毒核糖核酸（RNA）在微孔中逆转录为DNA并进行扩增。在存在新冠病毒（SARS-COVID-2）的情况下，PCR试剂会启动上述步骤以检测COVID-19。
尽管被应用于各种领域，但微流控器件的制造通常使用费用相对高昂的塑料和玻璃，并需要耗费大量的时间进行研究和开发，使得这些器件的原型制造和规模化生产成本极高。
Gagnon表示：“一批妊娠检测器件的小规模原型制造的投资就能达到六位数，这使得民用微流控器件的商业化困难重重。在学术领域，研究人员已取得了一些进展，但尚不能实现商业化。我们的目标是找到可以推广的快速原型制造方法，以便研究人员可以将在研的微流控产品商业化。”
为了解决这个问题，研究人员将研究方向转向了纸基微流控技术。其实，纸基微流控并不是一个全新的技术，其在诊断器件中已有应用，如妊娠检测和居家COVID-19抗体/抗原检测。这些纸基微流控诊断器件的特点之一是流体由毛细作用驱动——在这种过程中，由于通道的特定几何形状，流体可以在没有外力的情况下流动。
然而，虽然这种被动流体控制方法已帮助开发了多种诊断检测器件，但主动流体控制的缺乏，以及由于表面蒸发而导致的毛细传输不稳定性是纸基微流控器件的主要技术瓶颈。
在该研究中，研究人员设计的纸基微流控器件的功能与传统的塑料基微流控器件相似，但其突破性地提出一种利用低成本聚合物（PDMS）层压纸基微流体器件的新方法，以利用泵等外部压力源引导多孔微流控器件中流体的连续流动。换言之，聚合物层压纸可以以高准确度和高精密度引导流体通过多孔纸结构，并可用于复杂的流体处理系统，如PCR仪和DNA测序仪。
聚合物层压纸中的微流体压力（µPiP）用于快速制造连续流体流动的纸基微流控器件：（A）制造流程；（B）蛇形混合器；（C）Y通道示意图；（D）H通道示意图。
基于聚合物层压纸的微流控诊断器件：聚合物层压纸可以以高准确度和精密度引导流体通过多孔纸结构，并可用于复杂的流体处理系统，例如新冠肺炎（COVID-19）聚合酶链式反应检测（PCR）仪和DNA测序仪。
Gagnon说道：“研究表明，我们可以在洁净室，基于实验室聚合物层压得来的纸质材料，经过精密加工制造出微流控诊断器件，并且基本上可以保证对流体的均一化控制。”
该研究团队开发出的纸基微流控诊断器件，是迄今为止对制造设备需求最少的一种，可以实现快速原型制造，并只需传统微流控器件成本的一小部分即可进行规模化生产，为微流控技术提供了一种可行且经济的发展途径。
纸的多孔特性具有几方面优势，首先，流体可以在纸基通道内进行连续的流动，从而拓宽了纸基微流控器件的应用范围。例如，该团队研究生Islam研究了所开发的纸基微流控技术的不同应用，例如研究红细胞的弹性或富集DNA。化学工程系的另一名研究生Jarad Yost利用了所开发的纸基微流控器件成功进行了DNA扩增，而无需大型笨重的实验室设备。
Gagnon最后补充道：“这项研究为传统的微流控器件提供了一种潜在的替代品，我们已经证明纸基微流控设计可以和大部分传统设计兼容，从而为微流控领域的产品商业化提供了广泛的参考价值。”
该项研究由美国国家航空航天局早期职业教师奖（NASA’s Early Career Faculty Award）和美国国家科学基金会创新团队计划（National Science Foundation’s I-Corps）资助。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D1AN01676H
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