3D納米列印新技術：醫療領域將迎來新時代！

導讀

近日，美國馬里蘭大學的工程師們創造出了首個3D列印的流體電路元件。這項研究將為藥物篩選、醫療診斷、微型機器人等領域迎來新時代創造條件。

背景

時下，3D列印已經成為一項高度普及的技術，也是受到廣泛關注的熱門話題之一。簡單說，3D列印就是一種「快速成型」的技術，它以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過「逐層列印」的方式來構造物體的技術。

具有3D列印功能的蜘蛛機器人（圖片來源：西門子）

從宏觀與微觀的角度分別來看，3D列印技術有兩個不同的發展方向：一種是宏觀大尺寸的3D列印技術；一種是微納米尺寸的3D列印技術。

今天，讓我們來關注「微納米3D列印技術」。目前，微納米3D列印是全球最前沿的先進位造領域之一。該技術在精密光學、生物醫療、組織工程、新材料、新能源、高清顯示、微流控器件、感測器、生物晶元、光電子和印刷電子等領域都有著巨大的潛力。

特別是在醫療方面，近年來科學家們採用這種新興的3D列印技術，列印出許多醫療器件與系統，例如「晶元實驗室」與「晶元上的器官」。或許，有些讀者並不熟悉這兩個概念，所以讓我們先來看看：「晶元實驗室」與「晶元上的器官」分別是什麼？

晶元實驗室，簡單說，就是將實驗室搬到了晶元上。它可以將多種實驗室操作，例如樣品製備、生化反應、檢測分析，集成於一塊幾平方厘米的晶元上，對於細菌、病毒、污染物、生物標記物等進行檢測和分析，幫助監測人體健康狀況。

晶元實驗室（圖片來源：皇家墨爾本理工大學）

晶元上的器官，也稱為「器官晶元」，其實就是一種多通道的三維微流體細胞培養晶元。它可以模擬人體器官或者整個器官系統的活動、力學和生理反應，或者說是一種人造器官。

晶元上的器官（圖片來源：哈佛大學 Wyss 研究所）

接下來的兩個案例展示了如何通過微納米3D列印技術分別創造出「晶元實驗室」與「晶元上的器官」。

案例一：美國楊百翰大學開發的3D列印的微流控裝置，尺寸可低至100微米以下，其中採用了低成本的數字光處理-立體光固化成型（DLP-SLA）方案。

（圖片來源：楊百翰大學）

案例二：哈佛大學研究人員完全通過3D列印製造出「晶元上的心臟」，同時集成了感知功能。這種3D列印的「晶元上的心臟」，能通過完全自動化的數字製造工藝來快速定製。

（來源：Alex Valentine和Lori K. Sanders，Lewis Lab/哈佛大學）

可是，問題來了：將藥品、營養素以及其他流體送入如此狹小的環境而且不產生泄露，所要求的複雜度以及克服這些複雜度所需的成本，使得這項技術對於大多數需要精準流體控制的應用來說，顯得不切實際。

創新

近日，美國馬里蘭大學（UMD）的工程師們創造出了首個3D列印的流體電路元件，如此微小的10個元件並排放在一起差不多是人類髮絲的寬度。二極體保證了液體只流向單個方向，對於向身體直接施治的植入式設備等產品來說，這是一項關鍵特徵。

馬里蘭大學傑姆斯克拉克工程學院機械與生物工程系助理教授 Ryan Sochol 與研究生 Andrew Lamont、Abdullah Alsharhan 一起，在一篇1月29日發表在開放存取期刊《科學報告（Scientific Reports）》 上的論文中，概述了他們的新方法。

技術

目前，大多數的研究人員們被限制在某些增材製造技術之內，這些技術只能列印出比馬里蘭大學設計的新型二極體尺寸大很多的特徵。

該校生物工程系學生 Lamont 的一部分博士研究工作就是開發這個方案並領導測試。他表示：「這樣確實限制了器件可以變得多小。畢竟，微型機器人中的微流控電路不能比機器人本身還大。」

因此，這種微流控二極體首次採用了3D納米列印方案。這種3D納米列印方案突破了成本與複雜度的限制。成本與複雜度一直是從個性化醫療到給葯的各個領域的障礙。

基於IsDLW的3D微流控螺旋彈簧二極體（圖片來源：參考資料【2】）

不同於傳統方法，克拉克工程學院團隊所採用的方法是一種稱為「溶膠-凝膠（sol-gel）」的工藝，這項工藝使他們可將二極體固定到通過普通聚合物列印的微通道壁上。然後，自通道頂部向下，二極體的微型結構在通道內部被一層一層地直接列印。

基於溶膠-凝膠法的原位激光直寫（isDLW）概念圖（圖片來源：參考資料【2】）

結果是以很小的成本創造出了完全密封的3D微流控二極體，該方案比之前的方案耗時更少。他們實現的強大密封，使電路免受污染，也保證了任何通過二極體的液體不會在錯誤的時間或者地點釋放，並且通過微通道壁的重塑得到進一步強化。

基於IsDLW的3D微流控螺旋彈簧二極體的實驗結果（圖片來源：參考資料【2】）

價值

Sochol 表示：「就像電路尺寸的縮小徹底變革了電子領域，動態縮小3D列印的微流控電路的尺寸，為藥物篩選、醫療診斷、微型機器人等領域迎來新時代創造了條件。」

Sochol 還表示：「之前的方案需要研究人員們犧牲時間與成本構建類似的元件，而我們的方案基本上做到了一舉兩得。現在，研究人員們能比之前更快速、更便宜、更輕鬆地3D納米列印複雜的流體系統。」

關鍵字

3D列印、微流控、二極體

參考資料

【1】https://eng.umd.edu/release/new-3d-nanoprinting-strategy-opens-door-to-revolution-in-medicine-robotics

【2】Andrew C. Lamont, Abdullah T. Alsharhan, Ryan D. Sochol. Geometric Determinants of In-Situ Direct Laser Writing. Scientific Reports, 2019; 9 (1) DOI: 10.1038/s41598-018-36727-z

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