COVID-19疫情使每個(ge) 人都意識到快速診斷的重要性。自3月底以來，比利時允許在藥房進行自測。該自檢是所謂的橫向流動測試。來自比利時魯汶大學（KU Leuven）的研究人員開發了一種3D打印技術，該技術擴展了橫向流動測試的可能性。這些測試以經典的妊娠測試和COVID-19自我測試的形式廣泛傳(chuan) 播。利用新的打印技術，可以進行快速，廉價(jia) 且易於(yu) 使用的高級診斷測試。

當無法使用設備齊全的分析實驗室時，在患者現場進行快速診斷測試（即所謂的“即時診斷”("pointofcare", POC）測試）至關(guan) 重要。在發達國家和發展中國家，POC診斷通過及早診斷可治療的疾病並應對急性健康危機，每年可以挽救數百萬(wan) 人的生命。特別是發展中國家的診斷應該是低成本和一次性的，需要最少的使用者依賴相關(guan) 步驟和外部設備。長期以來，微流體(ti) 一直承諾將基於(yu) 實驗室的診斷協議縮小到芯片上。盡管在該領域取得了成功，但POC使用的主要限製在於(yu) ，致動和控製微型芯片中的流體(ti) 流動所需的輔助設備仍然體(ti) 積龐大而且依賴於(yu) 外部電源。

通過毛細管芯吸法進行的流體(ti) 輸送消除了對外部泵的需求。在家庭妊娠試驗中使用的側(ce) 向流動測定 (Lateral flow assays, LFAs) 利用這一原理，使液體(ti) 樣品通過多孔的紙狀膜芯吸。盡管它們(men) 在發達國家和資源匱乏的環境中都取得了成功，但許多LFA仍然是定性的，它們(men) 的1D格式不適合需要定時執行步驟的方案的實施（例如，基於(yu) 擴增的酶聯免疫吸附測定 (enzymelinked immunosorbent assays, ELISA) ），1D格式使其不適用於(yu) 需要定量或更高靈敏度的許多應用。為(wei) 了僅(jin) 通過毛細作用實現這樣的序列，已提出了幾種方法來定義(yi) 層壓多孔膜（通常是紙）內(nei) 的流路，這些膜分別用疏水性屏障構圖或切割成形。這些基於(yu) 微流紙的分析設備(μPADs)無疑是低成本的，在不影響其流體(ti) 傳(chuan) 輸性能的情況下，可靠地層壓可壓縮多孔層仍具有挑戰性。此外，將它們(men) 與(yu) 其他分立組件（例如，芯吸墊、雙麵膠帶、纖維素粉末、夾具）可重複地組裝在一起並非易事。由此產(chan) 生的層間接觸問題可能會(hui) 導致設備故障（例如，對於(yu) 七層組件而言約為(wei) 30％）。由毛細作用驅動的明渠微流體(ti) （通常稱為(wei) 毛細管回路）是紙質設備的替代品。但是，為(wei) 了達到激活這些流體(ti) 芯片中的液體(ti) 所需的毛細壓力，必須通過光刻技術以自上而下的方式製造小的部件（≤10m）。這種製造方法增加了所得器件的成本，當然也增加了製造設備的成本。3D打印，尤其是立體(ti) 光刻技術，有望為(wei) 毛細管電路提供低成本的製造路線和設備。但是，當前的分辨率低於(yu) 光刻技術，並且尚未證明完全3D印刷的毛細管現象。

▲3D打印的微流體(ti) 裝置概念圖

在這裏，來自比利時魯汶大學的研究人員將3D打印作為(wei) 一種製造整體(ti) 式無泵微流控技術的新穎方法。迄今為(wei) 止，3D打印主要用於(yu) 製造其（通常是複雜的）幾何形狀決(jue) 定其功能的物體(ti) ，包括在泵驅動的微流體(ti) 中。通常，要注意避免在打印體(ti) 積中出現孔隙，從(cong) 而確保其性能與(yu) 傳(chuan) 統工程材料的數量可以近似。相比之下，該研究中的3D打印毛細血管驅動的微流體(ti) 設備具有高度多孔性，其功能完全來自對孔壁表麵化學性質的精確空間控製。

精確打印

研究人員使用3D打印機製作了3D版本的橫向流動測試。基礎是一小塊多孔聚合物，其中具有特定特性的“油墨”被印刷在精確的位置。這樣，就形成了一個(ge) 由通道和小“鎖”組成的網絡，使流量可以在需要的地方和時間通過或阻塞，而無需移動部件。在測試過程中，將自動引導樣品執行不同的測試步驟。這樣，甚至可以遵循複雜的協議。

圖1. 整體(ti) 毛細管驅動微流體(ti) 設備的3D打印。

▲圖解：(A). 粘合劑噴射3D打印通過使用粘合劑液體(ti) 交替鋪展一層建築材料層和噴墨打印對象切片來進行。疏水粘合劑（灰色）用於(yu) 描繪毛細管流動通道（粉紅色），其他顏色表示可能使用多種墨水。(B). 裂解的多孔3D打印部件中結合的PMMA顆粒的掃描電子顯微鏡圖像。圓形標記（用箭頭表示）指示將粒子粘合在一起的頸部斷裂的位置。(C). 5％CsI水溶液通過3D打印部件中的親(qin) 水通道芯吸的X射線CT可視化。CsI用於(yu) 增強水溶液（淺灰色）和PMMA顆粒之間的對比度。(D). 頂部：水溶液（藍色）通過用於(yu) 表征毛細管流動的裝置芯吸。為(wei) 了清楚起見，3D打印的疏水部分顯示為(wei) 透明。底部：實驗性芯吸速度和Bosanquet貼合度。背景：藍色染料溶液在由虛線灰色指示的時間點通過親(qin) 水通道（橫截麵積為(wei) 2×2 mm）芯吸的光學圖像。3D打印設備的輪廓以藍色虛線表示。

研究人員評估了他們(men) 的技術，該技術可再現用於(yu) 檢測免疫球蛋白E（IgE）的ELISA測試（酶聯免疫吸附測定）。測量Ig E以診斷過敏。在實驗室中，該測試需要幾個(ge) 步驟，使用不同的漂洗液和改變酸度。研究團隊能夠使用厚信用卡大小的印刷測試套件來運行整個(ge) 協議。

圖2. 3D通道網絡和流量控製元素。

▲圖解：(A). 具有籃式通道的3D微流體(ti) 網絡。為(wei) 了清楚起見，將3D打印的疏水部分製成透明的。插圖：在不同時間點的光學圖像，顯示了不同顏色的溶液通過相互交織的親(qin) 水通道芯吸。通道的隱藏部分不可見。時鍾符號僅(jin) 是指示性的。(B) 基於(yu) 方向流的觸發閥。上圖：激活序列的示意圖。藍色液體(ti) 芯吸進入親(qin) 水通道，直到在疏水屏障處停止為(wei) 止。僅(jin) 在黃色液體(ti) 溶解能夠橋接疏水性屏障的表麵活性劑（綠色）後，才繼續發生芯吸。時鍾符號僅(jin) 是指示性的。中：激活不同階段的光學圖像。表麵活性劑的位置由綠色虛線圓圈表示。下圖：在彌合疏水間隙之前，之中和之後，基於(yu) X射線CT數據的活化過程的詳細視圖。

複雜性不是成本

3D打印的偉(wei) 大之處在於(yu) ，可以快速調整測試的設計以適應其他協議，例如，檢測癌症生物標誌物。對於(yu) 3D打印機，通道網絡的複雜程度無關(guan) 緊要。3D打印技術價(jia) 格合理且可擴展。Parra博士表示在他們(men) 的實驗室中，生產(chan) Ig E原型測試的成本約為(wei) 1.50美元，但如果我們(men) 擴大規模，則將不到1美元。該技術不僅(jin) 為(wei) 發達國家提供了更便宜，更快的診斷機會(hui) ，而且在醫療基礎設施難以獲得且強烈需要負擔得起的診斷測試的國家中也提供了這種機會(hui) 。

圖3.3D打印機。(A). 印刷方向示意圖。(B). 市售的熱敏打印頭HP11。(C). 修改新的打印頭，卸下流體(ti) 噴嘴。(D). 用注射器小心地抽吸墨水，並按照建議的方案清潔打印頭。(E). 將定製的鋁蓋粘在HP11打印頭上

該研究小組目前正在設計自己的3D打印機，它將比當前研究中使用的商業(ye) 模型更加靈活。經過優(you) 化的打印機就像移動小型工廠一樣，可以快速生成診斷信息。然後，可以通過簡單地加載不同的設計文件和油墨來創建不同類型的測試。

本文來源：Clement Achille et al, 3D Printing of Monolithic CapillarityDriven Microfluidic Devices for Diagnostics, Advanced Materials (2021).