3D打印全液體“芯片實驗室”，實現(xiàn)裝置可編程、可重配

芯片上的實驗室-微流控芯片技術(shù)(Microfluidics)是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上， 自動完成分析全過程。由于它在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。

人體器官芯片(organs-on-a-chip)是近幾年發(fā)展起來的一種新興前沿交叉學(xué)科技術(shù)，它以前所δ有的方式見證機(jī)體的多種生物學(xué)行為，在新藥發(fā)現(xiàn)、疾病機(jī)制和毒性預(yù)測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

據(jù)報道，來自美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人員3D打印出一款全液體裝置，只需點擊一下按鈕，就可以根據(jù)需求反復(fù)重新配置以滿足從電池材料制作到藥物篩選的廣泛應(yīng)用需求。

主導(dǎo)這項研究的伯克利實驗室材料科學(xué)和分子工廠科學(xué)家Brett Helms表示，“我們所展示的這款裝置是值得稱道的。我們的3D打印裝置可以根據(jù)需要進(jìn)行編程，以執(zhí)行多步驟、復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。更令人驚喜的是，這個多功能平臺可以重新配置，以高效精準(zhǔn)地組合分子，并形成非常特殊的產(chǎn)品，如有機(jī)電池材料?！?/p>

這項發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)雜志上的研究成果，是伯克利實驗室用3D打印機(jī)制作全液體材料的一系列實驗中的最新成果。

去年，Helms與來自馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校(University of Massachusetts at Amherst)的訪問研究員Thomas Russell合著了一項研究成果，領(lǐng)導(dǎo)伯克利實驗室材料科學(xué)部的自適應(yīng)界面組件轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)化液體項目，開創(chuàng)了在另一種液體中打印各種液體結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，從液滴到液體旋流線。

Helms指出，“在成功演示后，我們一群人聚在一起集思廣益，討論如何利用液體印刷技術(shù)制造功能裝置。然后我們突然想到，如果我們可以在界定通道內(nèi)打印流體，流動內(nèi)容流經(jīng)通道而不會遭到破壞，我們就可以制作出適合多種應(yīng)用的流體裝置，從新型小型化學(xué)實驗室到電池和電子設(shè)備?！?/p>

為了制作這種3D可印刷流體裝置，伯克利實驗室材料科學(xué)部門的博士后研究員兼論文主要作者Wenqian Feng設(shè)計了一款特殊圖案的玻璃基板。當(dāng)兩種液體，一種含有納米級粘土顆粒，另一種含有聚合物顆粒，被印刷到基板上時，他們在兩種液體的交界處聚集，并在幾毫秒內(nèi)形成直徑約為1毫米的非常薄的通道或管道。

一旦形成通道，催化劑可以放置在裝置的不同通道內(nèi)。然后，用戶可以在通道之間3D打印橋接，將通道連接起來使得流經(jīng)它們的化學(xué)品以特定順序接觸催化劑，引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生特定的化合物。當(dāng)由計算機(jī)控制時，這個復(fù)雜的過程可以自動“執(zhí)行與催化劑放置相關(guān)的任務(wù)，在裝置內(nèi)構(gòu)建液體介質(zhì)橋接，并運行制造分子所需的反應(yīng)序列?！盧ussell補(bǔ)充道。

這款多任務(wù)裝置還可以被編程為像人工循環(huán)系統(tǒng)般運作，分離流經(jīng)通道的分子并自動去除不需要的副產(chǎn)品，同時繼續(xù)打印特定催化物橋接序列并執(zhí)行化學(xué)合成步驟。

Helms解釋道，“這些裝置的形式和功能僅受限于研究人員的想象力，自主合成是化學(xué)和材料界的一個新興領(lǐng)域，我們用于全液體流動化學(xué)的3D打印裝置可以在該領(lǐng)域發(fā)揮重要作用?！?/p>

Russell也補(bǔ)充說道，“伯克利實驗室中材料科學(xué)和化學(xué)專業(yè)知識的結(jié)合，以及來自世界各地的研究人員可以共享世界一流的設(shè)施，包括實驗室所聚集的年輕人才都是獨一無二的。在其他地方我們不一定能開發(fā)出這一技術(shù)?！?/p>

研究人員接下來計劃使用導(dǎo)電納米粒子對該裝置的內(nèi)壁進(jìn)行通電，以擴(kuò)展可以探索的反應(yīng)類型。Helms表示，“憑借我們的技術(shù)，我們認(rèn)為還有可能創(chuàng)建全液體電·、燃料電池甚至蓄電池。對我們的團(tuán)隊而言，以一種用戶友好且用戶可編程的方式將流體和流動化學(xué)結(jié)合起來真的非常令人振奮?！?/p>