3D打印微流控芯片技术研究进展

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011441682.1(22)申请日 2020.12.08(71)申请人 南通大学地址 226019 江苏省南通市啬园路9号(72)发明人 张华丽　孙新宇　仲小祥　耿迁迁　(74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限公司 32200代理人 王毅(51)Int.Cl.B29C 64/112(2017.01)B29C 64/236(2017.01)B29C 64/314(2017.01)B29C 64/30(2017.01)B29C 64/295(2017.01)B33Y 10/00(2015.01)B33Y 30/00(2015.01)B33Y 40/00(2020.01)B33Y 40/10(2020.01)(54)发明名称一种基于3D打印装置的微流控芯片制备方法(57)摘要本发明提供了一种基于3D打印装置的微流控芯片制备方法，包括如下步骤：S10将待打印的微流控芯片的三维图纸存储至所述3D打印装置的控制系统中；S20将琼脂糖水凝胶置于加热箱内，加热成熔融琼脂糖；以及S30开启3D打印装置，所述控制系统控制喷头移动完成微流控芯片的打印任务；其中，所述控制系统通过温度控制器控制所述喷头输出的熔融琼脂糖的温度。

本发明的一种基于3D打印装置的微流控芯片制备方法，通过3D打印技术，直接使用琼脂糖水凝胶制备微流控芯片，且在打印的过程中使用温度控制器控制琼脂糖保持熔融状态，简化了微流控芯片制备工艺，促进了3D打印技术在微流控芯片领域中的应用。

权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 112549532 A 2021.03.26C N 112549532A1.种基于3D打印装置的微流控芯片制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S10将待打印的微流控芯片的三维图纸存储至所述3D打印装置的控制系统中；S20将琼脂糖水凝胶置于加热箱内，加热成熔融琼脂糖；以及S30开启3D打印装置，所述控制系统控制喷头移动完成微流控芯片的打印任务；其中，所述控制系统通过温度控制器控制所述喷头输出的熔融琼脂糖的温度。

关于医用3D打印的最新进展及趋势，这里有答案医用3D打印在近几年是一个热度呈直线上升的时髦技术。

3D生物打印跨过第一、第二层次，已经在医疗模型、诊疗器械、康复辅具、假肢、牙齿及人工关节等方面催生出了一个产业链雏形。

然而，有关3D打印产品的审批、国家对该类产品的政策方面的决策以及产品上升过程中遇到的技术和材料、产品的价格等等瓶颈问题，如打印人体组织和器官等方面存在重重的问题。

那么，如果突破这些瓶颈并掌握整个市场的方向和核心技术并具有核心的市场竞争力成为了企业长久立足的关键，也是临床医生和科研人员普遍关心的问题。

以下为生物谷对于浙江大学贺永教授的专访内容。

提问一贺永教授，您好！我们知道3D打印在中国尚处于起步阶段，大到航天飞船、建筑、心脏，小到牙齿、血管，3D打印都可以搞定，国务院也鼓励应用大数据、云计算、互联网、增材制造等技术，构建医药产品，3D生物打印在医疗上应用有哪些？其核心技术是什么？回答一3D生物打印在生物医疗领域有着极其广泛的应用，概括来说，目前的研究有两个主要方向：其一是为各种疾病的精准治疗研究提供新的研究手段；第二个目标更为远大，打印出活性的人造器官，并应用于器官移植中。

目前疾病的机理探讨主要依赖二维的细胞实验及动物实验，二维的细胞实验与人体环境相距甚远，而动物实验除了成本高、周期长、重复性不够理想外，动物的体内环境与人体也有较大的差异。

由于3D生物打印可以精确的堆叠各种细胞及支架材料，形成接近实际器官组织的结构，同时其细胞也可采用人类的细胞，恰好可以弥补目前常用的两大实验方式的缺点。

目前生物3D打印在肿瘤模型、药物代谢所带来的肝脏毒性评估、肠道微环境的构造、心血管疾病病例探讨等领域都开始有报道，生物3D打印技术在疾病的精准治疗中将会有非常广泛的应用，也是目前就可以很快开展的工作。

第二个目标打印可供替代的器官，目前也有很多的尝试，但总体而言还有很长的路要走，人体器官的结构远比我们想象的要复杂的多，器官的生长发育机制等机理上还有很多问题有待揭开。

微流控技术可控制备异形微纤维的研究进展目录1. 内容综述 (2)1.1 研究背景 (3)1.2 研究意义 (4)1.3 研究现状及发展动态 (5)2. 微流控技术概述 (6)2.1 微流控技术定义 (7)2.2 微流控技术原理 (8)2.3 微流控技术特点 (10)3. 异形微纤维制备技术 (11)3.1 异形微纤维概述 (12)3.2 异形微纤维制备工艺 (14)3.3 制备技术中的关键问题 (15)4. 微流控技术在异形微纤维制备中的应用 (16)4.1 微流控技术在微纤维制备中的优势 (18)4.2 微流控技术可控制备异形微纤维的研究进展 (20)4.3 实例分析 (21)5. 异形微纤维的性能与表征 (22)5.1 异形微纤维的性能 (23)5.2 异形微纤维的表征方法 (24)6. 异形微纤维的应用及前景 (25)6.1 异形微纤维的应用领域 (27)6.2 发展趋势及前景展望 (28)7. 研究结论与建议 (30)7.1 研究结论 (31)7.2 对未来研究的建议 (32)1. 内容综述在材料科学中，微流控技术因其精确控制流体和物料的能力，迅速成为制备具有特殊形态结构材料的关键技术之一。

异形微纤维，以其独特的几何形状及表面特性，广泛应用于过滤、传感、医疗和电子等行业。

本文综述了微流控技术在制备异形微纤维方面的最新研究进展，涉及核心材料的选择、特异性纤维形态的生成机制，以及纤维形态控制对功能性增强的影响。

微流控技术基于芯片内的微通道，允许在不断变化的微流体环境中进行精确的操作。

其工作原理通常依托于在微米级别的混合、传感、分离和分析上操作的连续流体动力学现象。

在制备微纤维领域，微流控技术提供了一种精确的系统和方式，可以实现对流体的精确投射、界面控制、温度和压力调控，从而创新性地创造不同形态的纤维。

异形微纤维的制备涉及对材料科学中特定材料的理解，这些材料可以是天然高分子、合成聚合物、金属有机框架、碳纳米管等，材料本身的特性直接决定了纤维形态的可塑性和功能性。

三维培养结肠癌细胞的微流控芯片荧光成像研究作者：蔡书祺郑璐璐张大伟来源：《光学仪器》2024年第02期摘要：改良了一种微流控芯片，可用于对结肠癌细胞进行三维培养并实现实时荧光成像。

在结肠癌细胞内植入内源性的红色荧光蛋白，使用激光共聚焦显微镜对芯片中三维培养的细胞进行成像。

通过细胞内部红色荧光蛋白的表达，可以观测到细胞的生长状态，实现对细胞的实时监测和高分辨率荧光成像。

同时，通过免疫荧光染色来表征反映细胞活性的特征蛋白，其荧光强度和蛋白表达呈正相关。

研究结果提示，细胞活性相关蛋白的表达受到微环境的影响，其在芯片三维培养中的活性强于二维培养，表明芯片内环境更加接近真实的人体微环境。

该方法为进一步探究肿瘤细胞转移机制及相关药物的筛选研究提供了一种新的技术手段及实验平台。

关键词：微流控芯片；三维培养；荧光成像；荧光蛋白中图分类号：TB39文献标志码：AInvestigation of fluorescence imaging in microfluidic chip for three-dimensional cultivation of colon cancer cellsCAI Shuqi，ZHENG Lulu，ZHANG Dawei（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai200093， China）Abstract： This article presents an improved method for the three-dimensional cultivation of colon cancer cells and the realization of real-time fluorescence imaging using a microfluidic chip. By incorporating endogenous red fluorescent protein into the colon cancer cells， we employed laser confocal microscopy to visualize the cells cultivated within the chip in three dimensions. The expression of intracellular red fluorescent protein allowed for the observation of cell growth status，facilitating real-time monitoring and high-resolution fluorescence imaging. Moreover，immunofluorescence staining was employed to characterize feature proteins indicative of cellular activity， with their fluorescence intensity demonstrating a positive correlation with protein expression. The research findings indicate that the expression of activity-related proteins is influenced by the microenvironment， exhibiting stronger activity in the three-dimensional cultivation on the chip compared to the two-dimensional approach. This suggests that the microenvironment within the chip more closely resembles the actual microenvironment within the human body. This method provides a novel technical approach and experimental platform for further exploration of tumor metastasis mechanisms and the screening of related drugs.Keywords： microfluidic chip； three-dimensional cultiviation； fluorescence imaging；fluorescent protein引言二维培养在生物医学研究中已经具有一个比较成熟的方案，它为人们提供了一种简单、快速和经济的实验方法。

三维微流控芯片的制备技术及其应用目录一、内容概要 (2)1. 微流控芯片技术概述 (2)2. 三维微流控芯片的发展背景与意义 (3)3. 三维微流控芯片的应用领域 (4)二、三维微流控芯片的制备技术 (5)1. 材料选择与处理 (7)1.1 基片材料的选择 (8)1.2 表面处理技术 (9)2. 微通道结构的制造 (11)2.1 干法刻蚀技术 (12)2.2 湿法刻蚀技术 (13)2.3 光刻与纳米压印技术 (14)3. 微流体通道的构建 (15)3.1 连通性设计 (16)3.2 流道结构的设计 (17)4. 组件集成与封装 (19)4.1 组件集成方法 (20)4.2 封装技术 (21)三、三维微流控芯片的应用 (22)1. 生物医学领域 (24)1.1 细胞培养与分化 (25)1.2 药物筛选与分析 (26)1.3 生物分子检测 (28)2. 石油工程领域 (29)2.1 油藏数值模拟 (30)2.2 油气勘探开发 (31)2.3 提高采收率技术 (31)3. 环境监测领域 (33)3.1 水质监测与分析 (34)3.2 大气污染物监测 (35)3.3 土壤污染检测 (37)四、结论与展望 (38)一、内容概要本文档主要介绍了三维微流控芯片的制备技术及其在生物医学领域的应用。

我们将对三维微流控芯片的基本概念和原理进行简要介绍，包括其结构特点、优势以及在流体控制方面的优势。

我们将详细介绍三维微流控芯片的制备技术，包括材料选择、芯片设计、光刻、电镀等关键步骤，并对这些技术的发展趋势和挑战进行分析。

我们将探讨三维微流控芯片在生物医学领域的应用，如细胞培养、药物输送、诊断与治疗等方面，并对未来的发展进行展望。

通过对三维微流控芯片的研究和应用，我们可以更好地理解和利用流体控制技术，为生物医学领域的研究和实践提供有力支持。

1. 微流控芯片技术概述微流控芯片技术，又称为微全分析系统或实验室芯片技术，是一种在微米至纳米尺度上操控流体、物质传输与反应的新兴技术。

大连理工大学陶胜洋教授在电纺、微流控和3D打印等方面的研究进展陶胜洋教授个人简介2000年9月-2004年7月，清华大学化学系，获理学学士学位；2004年9月-2008年7月，清华大学化学系，获理学博士学位，师从李广涛教授；2008年7月-2011年12月，大连理工大学化工学院，讲师；2011年12月-2016年12月，大连理工大学化工与环境生命学部，副教授；2012年-2013年，美国加州大学河滨分校，访问学者；2017年1月至今，大连理工大学化工学院，教授。

研究方向数字化、自动化和智能化是未来化学品合成的趋势之一。

化学工作者应从繁重的体力劳动中解脱出来，将更多的精力投入于分子设计和反应机制研究中。

基于这一理念，本课题组从事传递过程强化与智能反应工程研究，研究内容主要涉及微流控芯片、微反应器、智能连续反应过程、计算流体力学、3D打印、界面化学和微纳米材料等。

目前研究兴趣集中于先进化学制造过程领域，开发设计了新型毛细管微流控芯片、3D打印微反应器、仿生柔性反应器、自动连续流反应系统、动态结构催化反应器等。

Journal of Materials Chemistry A：制备中空磁性多孔氧化锆纤维作为Fenton反应的有效催化剂载体本文报道了一种基于静电纺丝的中空磁性多孔氧化锆中空纤维的简便合成方法，并将其用作芬顿反应的载体。

首先，采用同轴静电纺丝技术制备了均匀的中空多孔ZrO2纳米纤维，然后进行了热处理。

通过将磁性颗粒添加到内部静电纺丝前体溶液中，磁性纳米颗粒可以方便地组装到中空ZrO2纤维中。

中空磁性多孔氧化锆纤维的BET比表面积为34.70m2g-1，孔体积为0.18cm3g-1。

具有不同初始浓度（50 ppm至300 ppm）的亚甲蓝可以有效降解（99％至90％）。

Yumeng Zhou, et al., Preparation of hollow magnetic porous zirconia fibers as effective catalyst carriers for Fenton reaction, Journal of Materials Chemistry A,2018,6, 12298-12307, DOI: 10.1039/c8ta01286eChemistrySelect：通过聚合物纤维的界面改性获得可定制和柔性的导电膜展示了一种方便而有效的制备柔性导电薄膜的方法。

(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.07.02C N 103895226A (21)申请号 201410112659.6(22)申请日 2014.03.24B29C 67/00(2006.01)B01L 3/00(2006.01)(71)申请人浙江大学地址310027 浙江省杭州市西湖区浙大路38号(72)发明人贺永 邱京江 傅建中 肖箫吴燕(74)专利代理机构杭州天勤知识产权代理有限公司 33224代理人胡红娟(54)发明名称基于3D 打印的三维微流控芯片的加工方法及打印装置(57)摘要本发明公开了一种基于3D 打印的三维微流控芯片的加工方法，包括：1）绘制三维微流道图；2）将三维微流道图中的三维流道分层沿平行于芯片的底面方向进行逐层切片；3）在前一层微流道实体结构上浇注液态芯片材料，按照流道分层切片顺序，每层依次打印流道实体结构和浇注芯片材料，依次完成流道形状打印，得到三维流道实体结构；4）将三维流道实体结构溶解，制得三维微流控芯片。

本发明还公开了用于实施上述方法的打印装置。

本发明三维微流控芯片的加工方法，加工过程简便快捷，生产效率高，易于工业化大规模生产，得到的三维微流控芯片，不需要键合等后处理工艺，简化了封装工艺，可以制作复杂结构的三维微流道，流道形状及精度可控。

(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书5页 附图7页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页 附图7页(10)申请公布号CN 103895226 A1/1页1.一种基于3D 打印的三维微流控芯片的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤（1）：绘制三维微流道图；步骤（2）：将三维微流道图中的三维流道分层沿平行于芯片的底面方向进行逐层切片，依次得到每层流道形状A 1、A 2、A 3、A 4、A 5……A n ，流道形状A 1～A n 依次按照切片顺序进行叠合即可得到完整的三维微流道形状；n 表示切片总数，为大于1的自然数；步骤（3）：在前一层微流道实体结构上浇注液态芯片材料，按照流道分层切片顺序，每层依次打印微流道实体结构和浇注芯片材料，依次完成流道形状A 1～A n ，得到三维微流道实体结构；步骤（4）：将三维微流道实体结构溶解，制得三维微流控芯片。