據麥姆斯咨詢報道，近日，由美國德克薩斯農工大學（Texas A&M University）阿蒂·麥克費林化學工程系（Artie McFerrin Department of Chemical Engineering）的副教授Zachary Gagnon博士和研究生Md Nazibul Islam領導的一支研究團隊，開發出一種利用低成本聚合物層壓紙基微流控技術制造診斷器件的新方法，該方法可以進行快速原型制造，并最終實現器件的規?；a。該項研究以封面文章發表在Analyst期刊上。

微流控是研究流體通過微通道的運動以及如何控制這種運動以實現其市場化應用的技術，目前已成功應用于妊娠和新冠肺炎（COVID-19）檢測等診斷器件。具體來看，這些微流控器件包含微泵、微閥、微針和微通道/微孔芯片等，例如微泵可將液體移動至芯片的微通道中，使其在微通道流動的過程中與診斷試劑發生化學反應。

例如，在進行COVID-19聚合酶鏈反應（PCR）檢測時，唾液或粘液樣本通過芯片上的微通道進入微孔，病毒核糖核酸（RNA）在微孔中逆轉錄為DNA并進行擴增。在存在新冠病毒（SARS-COVID-2）的情況下，PCR試劑會啟動上述步驟以檢測COVID-19。

盡管被應用于各種領域，但微流控器件的制造通常使用費用相對高昂的塑料和玻璃，并需要耗費大量的時間進行研究和開發，使得這些器件的原型制造和規?；a成本極高。

Gagnon表示：“一批妊娠檢測器件的小規模原型制造的投資就能達到六位數，這使得民用微流控器件的商業化困難重重。在學術領域，研究人員已取得了一些進展，但尚不能實現商業化。我們的目標是找到可以推廣的快速原型制造方法，以便研究人員可以將在研的微流控產品商業化。”

為了解決這個問題，研究人員將研究方向轉向了紙基微流控技術。其實，紙基微流控并不是一個全新的技術，其在診斷器件中已有應用，如妊娠檢測和居家COVID-19抗體/抗原檢測。這些紙基微流控診斷器件的特點之一是流體由毛細作用驅動——在這種過程中，由于通道的特定幾何形狀，流體可以在沒有外力的情況下流動。

然而，雖然這種被動流體控制方法已幫助開發了多種診斷檢測器件，但主動流體控制的缺乏，以及由于表面蒸發而導致的毛細傳輸不穩定性是紙基微流控器件的主要技術瓶頸。

在該研究中，研究人員設計的紙基微流控器件的功能與傳統的塑料基微流控器件相似，但其突破性地提出一種利用低成本聚合物（PDMS）層壓紙基微流體器件的新方法，以利用泵等外部壓力源引導多孔微流控器件中流體的連續流動。換言之，聚合物層壓紙可以以高準確度和高精密度引導流體通過多孔紙結構，并可用于復雜的流體處理系統，如PCR儀和DNA測序儀。

聚合物層壓紙中的微流體壓力（μPiP）用于快速制造連續流體流動的紙基微流控器件：（A）制造流程；（B）蛇形混合器；（C）Y通道示意圖；（D）H通道示意圖。

基于聚合物層壓紙的微流控診斷器件：聚合物層壓紙可以以高準確度和精密度引導流體通過多孔紙結構，并可用于復雜的流體處理系統，例如新冠肺炎（COVID-19）聚合酶鏈式反應檢測（PCR）儀和DNA測序儀。

Gagnon說道：“研究表明，我們可以在潔凈室，基于實驗室聚合物層壓得來的紙質材料，經過精密加工制造出微流控診斷器件，并且基本上可以保證對流體的均一化控制?！?br />
該研究團隊開發出的紙基微流控診斷器件，是迄今為止對制造設備需求最少的一種，可以實現快速原型制造，并只需傳統微流控器件成本的一小部分即可進行規模化生產，為微流控技術提供了一種可行且經濟的發展途徑。

紙的多孔特性具有幾方面優勢，首先，流體可以在紙基通道內進行連續的流動，從而拓寬了紙基微流控器件的應用范圍。例如，該團隊研究生Islam研究了所開發的紙基微流控技術的不同應用，例如研究紅細胞的彈性或富集DNA?；瘜W工程系的另一名研究生Jarad Yost利用了所開發的紙基微流控器件成功進行了DNA擴增，而無需大型笨重的實驗室設備。

Gagnon最后補充道：“這項研究為傳統的微流控器件提供了一種潛在的替代品，我們已經證明紙基微流控設計可以和大部分傳統設計兼容，從而為微流控領域的產品商業化提供了廣泛的參考價值。”

該項研究由美國國家航空航天局早期職業教師獎（NASA’s Early Career Faculty Award）和美國國家科學基金會創新團隊計劃（National Science Foundation’s I-Corps）資助。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1039/D1AN01676H

審核編輯 ：李倩