微流控芯片為許多研究領(lǐng)域提供了一個(gè)便攜式和自動(dòng)化的平臺(tái)，包括分析化學(xué)，生物化學(xué)分析，生物醫(yī)學(xué)研究和材料合成。微流控芯片還可為研究細(xì)胞共培養(yǎng)，細(xì)胞代謝活動(dòng)，細(xì)胞間相互作用和藥物代謝機(jī)制提供了一個(gè)便利的平臺(tái)。由于傳統(tǒng)的微流控芯片都采用泵驅(qū)動(dòng)，對(duì)微流道而言，需要很大的壓力才能驅(qū)動(dòng)，這就使得現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的微流控芯片進(jìn)行模塊化封裝時(shí)容易出現(xiàn)泄漏。

圖1.模塊化微流體裝置制造過(guò)程示意圖

據(jù)悉，浙江大學(xué)賀永教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于毛細(xì)驅(qū)動(dòng)的模塊化微流控芯片制造新方法，通過(guò)3D打印的方式可方便的打印芯片的各個(gè)模塊，然后通過(guò)在微流道內(nèi)填充具有毛細(xì)效應(yīng)的纖維素粉，使其具有毛細(xì)自驅(qū)動(dòng)功能。這個(gè)方法的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)模塊間的組裝精度要求低，使用普通的桌面式3D打印機(jī)就可制造，打印出類樂(lè)高積木式的芯片模塊，然后可很方便的組裝起來(lái)，組裝后模塊化芯片也無(wú)需泵即可驅(qū)動(dòng)。

圖2 不同的流動(dòng)行為操控

近來(lái)出現(xiàn)了由各個(gè)功能模塊組裝而成的模塊化微流控芯片。每個(gè)模塊在被集成到微流控系統(tǒng)之前可以分別設(shè)計(jì)，制造和修改。模塊化微流體的制造包括微細(xì)加工方法和3D打印技術(shù)。現(xiàn)有模塊化微流控應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)在于準(zhǔn)確對(duì)齊和嚴(yán)格密封，以確保組裝后模塊間無(wú)泄漏且流體互通，使其對(duì)制造精度要求很高。

圖3.幾種典型的芯片模塊

賀永教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新型毛細(xì)驅(qū)動(dòng)的模塊化微流控系統(tǒng)，其特點(diǎn)是可以根據(jù)特定需求選取特定基本功能模塊實(shí)現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)的拼裝，其開(kāi)放的結(jié)構(gòu)使得易于整合各種支架和反應(yīng)物，且沒(méi)有必要進(jìn)行嚴(yán)格的密封或?qū)R。采用3D打印機(jī)打印不同的功能模塊，通過(guò)類樂(lè)高式的統(tǒng)一接頭拼裝，然后用具有毛細(xì)效應(yīng)的材料填充微流道，即可實(shí)現(xiàn)。這種可快速重建的模塊化微流體裝置由基本功能模塊和其他個(gè)性化模塊組成，每個(gè)模塊都有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，便于組裝。通過(guò)桌面3D打印機(jī)打印，制造過(guò)程簡(jiǎn)單高效，并且可以方便地控制流道尺寸。通過(guò)不同模塊的多種組合，可以實(shí)現(xiàn)多種不同的功能，而無(wú)需重復(fù)制造過(guò)程。單個(gè)模塊也可以取出來(lái)進(jìn)行測(cè)試和分析。課題組通過(guò)一系列探索，選定了適合的毛細(xì)填充材料，并進(jìn)行了一系列流量流道尺寸標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，為流場(chǎng)可編程提供基礎(chǔ)；通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單電路實(shí)驗(yàn)，證明了系統(tǒng)用于液態(tài)電路的潛能；通過(guò)骨支架的降解實(shí)驗(yàn)展示了系統(tǒng)作為生物反應(yīng)器的能力；通過(guò)一系列細(xì)胞培養(yǎng)及表征實(shí)驗(yàn)，揭示了系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的可行性。

圖4.模塊化芯片的細(xì)胞培養(yǎng)