芯片上的實(shí)驗(yàn)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(cè)等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上,， 自動(dòng)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(gè)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(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
據(jù)報(bào)道,，來自美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人員3D打印出一款全液體裝置,，只需點(diǎn)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(xiàng)研究的伯克利實(shí)驗(yàn)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(gè)多功能平臺(tái)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,。”
這項(xiàng)發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)雜志上的研究成果,，是伯克利實(shí)驗(yàn)室用3D打印機(jī)制作全液體材料的一系列實(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究成果,，領(lǐng)導(dǎo)伯克利實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(dòng)內(nèi)容流經(jīng)通道而不會(huì)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(shí)驗(yàn)室到電池和電子設(shè)備,。”
為了制作這種3D可印刷流體裝置,，伯克利實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jí)粘土顆粒,，另一種含有聚合物顆粒,，被印刷到基板上時(shí)，他們?cè)趦煞N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(jì)算機(jī)控制時(shí),，這個(gè)復(fù)雜的過程可以自動(dòng)“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(yùn)行制造分子所需的反應(yīng)序列,。”Russell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(yùn)作,，分離流經(jīng)通道的分子并自動(dòng)去除不需要的副產(chǎn)品，同時(shí)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(gè)新興領(lǐng)域,，我們用于全液體流動(dòng)化學(xué)的3D打印裝置可以在該領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,。”
Russell也補(bǔ)充說道,，“伯克利實(shí)驗(yàn)室中材料科學(xué)和化學(xué)專業(yè)知識(shí)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(shí)驗(yàn)室所聚集的年輕人才都是獨(dú)一無二的,。在其他地方我們不一定能開發(fā)出這一技術(shù),。”
研究人員接下來計(jì)劃使用導(dǎo)電納米粒子對(duì)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(duì)我們的團(tuán)隊(duì)而言,，以一種用戶友好且用戶可編程的方式將流體和流動(dòng)化學(xué)結(jié)合起來真的非常令人振奮,。”