微流控芯片检测性能跨级提升！双精度3D打印成科研团队“神助攻”

在疾病诊断与生物医学研究领域，单细胞分析是解析细胞异质性的关键工具。传统的单细胞分析手段，如光学显微镜或流式细胞术，常因操作复杂、成本高昂或侵入性强等限制，难以满足高通量、高灵敏度的研究需求。阻抗与介电光谱（IDS）技术作为一种非侵入、可实时监测且具备高通量潜力的方法，已成为单细胞分析的重要技术路径。其原理是当细胞或颗粒通过微流道中电极产生的电场时，会扰动电场并产生与其自身电学特性及空间位置相对应的电信号。然而，在非均匀电场中，颗粒若在垂直方向上发生偏移，会显著影响电场分布的对称性，导致信号振幅失真，从而降低检测的准确性与可重复性。

为解决这一难题，来自曼彻斯特大学与墨尔本大学的联合研究团队设计了一种集成喷嘴结构的3D打印微流控芯片，通过两级鞘流实现可调的三维流体动力学聚焦。该研究以“Precision flow focusing in 3D printed microchannels for enhanced impedance spectroscopy"为题，发表于国际期刊《Sensors and Actuators B: Chemical》上。

该创新微流控芯片的核心在于其独特的喷嘴结构，该结构能够将样本流主动抬升至微通道底部上方，有效避免了颗粒与通道壁面的非特异性相互作用。结合自上而下的鞘流约束和下游收缩段的聚焦效应，该系统实现了颗粒在通过传感区域时的三维精确定位。而实现这一复杂三维结构的关键制造技术，正是摩方精密的面投影微立体光刻（PμSL）技术和复合精度光固化3D打印技术。研究团队采用摩方精密microArch® D1025（精度：10&25μm）3D打印系统，以HTL树脂为材料，一次性成功成型了包含120μm半径喷嘴、800μm宽主通道以及100μm宽收缩段的多尺度集成微流控芯片。

如图1所示，通过调节流量比Q2/Qt，粒子可被精确地推向电极附近，而无需依赖浅通道或复杂电极配置。这种可调谐性使得系统能够适应不同应用场景，从细胞分析到化学检测，均表现出优异的适应性。

进一步地，图2详细阐释了三维流体聚焦的机制。系统采用三阶段聚焦策略：首先，鞘流F1与喷嘴结合实现侧向和部分垂直聚焦；其次，顶部鞘流F2增强垂直约束；最后，下游收缩段巩固整体聚焦效果。这种配置确保了粒子在通过传感区域时始终靠近共面电极，从而优化信号采集。

通过荧光成像和阻抗光谱学实验，研究团队验证了聚焦效率。图3展示了模拟结果，揭示了微通道结构对流体动力学的影响。当流量比Q1/Qs从0.99变化至100时，聚焦宽度可在0.07至0.65倍通道宽度间调节，体现了高度的可调性。同时，垂直聚焦通过共聚焦显微镜量化，显示在Q2/Qt=0.9时，粒子距电极距离可降至10μm以下，显著提升信号质量。

实验部分采用荧光微球作为模型系统，在总流量固定为100 μL/min的条件下，通过调节鞘流比例实现粒子定位。图4的荧光成像结果直观呈现了侧向和垂直聚焦的效果。随着Q2/Qt的增加，粒子流高度逐渐降低，宽度略有增加，但收缩区域有效抵消了这种扩散，确保粒子在传感区域内保持紧密聚集。这种设计在300μm通道中实现了聚焦流尺寸从71×70.5至121×10.95μm的动态范围，适用于多种粒子尺寸。

在电学表征中，阻抗信号幅度随粒子垂直位置变化，模拟与实验数据高度吻合。图5展示了测量设置和结果，当Q2/Qt=0.9时，信噪比达到峰值17.38 dB，且信号变异性低。统计分析显示，所有流量条件间均存在显著差异，凸显了优化垂直聚焦的重要性。这一发现为阻抗细胞术提供了可靠基础，无需依赖复杂后处理即可实现高精度检测。

在本项研究里，摩方精密的多精度制造能力使得复杂的喷嘴结构和收缩区域能够一次成型，避免了传统多层光刻技术所需的复杂对齐和键合步骤，不仅简化了制造流程，也增强了器件的整体性和功能集成度，为微流控芯片的设计提供了几何灵活性与快速原型验证能力。

作为摩方精密高技术水平的双精度microArch® Dual系列设备（D0210、D1025），创新实现了同层（XY轴方向）和不同层（Z轴方向）均能实现不同精度的切换打印，并依旧保持了超高精密、超高公差控制能力，全新搭载自动水平调节系统，使工业级3D打印更智能、更稳定、更高效。在打印尺度方面，该系列实现了从2μm到100mm×100mm×50mm的跨尺度精密加工能力，突破传统制造在尺寸与精度上的协同局限。在快速原型制作领域，这一能力为生物医疗、精密电子、5G通信、半导体等高精尖行业的创新研发，提供了兼具高速响应、灵活迭代与显著降本增效的全新解决方案。

随着精准医疗迈向个体化诊疗新阶段，摩方精密持续加码研发投入，致力于推动微纳3D打印技术向更高水平演进。未来，摩方精密将通过提供兼具超高精度与高度定制化能力的精密制造解决方案，在更广阔的前沿领域发挥关键作用，从个性化医疗设备到定制化传感器，从微型光学元件到微流控系统，为科研探索与产业升级提供关键支撑。