微纳3D打印微流控芯片：实现细胞精准分选的新突破

在生物医学研究与临床诊断领域，快速、高效地分离特定细胞是实现精准分析的关键环节，也是一项长期存在的技术挑战。目前广泛使用的传统方法，如离心和膜过滤，在面对微量样本处理时，往往在回收率、操作效率或样本活性保持等方面仍存在着许多局限。

近期，丹麦技术大学联合多家机构近日开发出一种基于粘弹性流体原理的3D打印微流控富集装置，该装置通过创新性的反向喷嘴设计和可调节的毛细管系统，实现了对细胞和微粒的精准分选，为生物样本处理提供了全新解决方案。该研究以“Viscoelastic particle enrichment using a 3D-printed enrichment device"为题发表在国际期刊《Sensors and Actuators A: Physical》上。

该富集装置的核心在于其独特的流动聚焦机制。当样本注入充满粘弹性流体的微通道时，不同尺寸的颗粒会受到差异化的弹性升力作用。较大颗粒在粘弹性流体中会以更快的速度向通道中心轴迁移，而较小颗粒则保持相对分散的状态。这种物理现象使得装置能够按照尺寸大小实现颗粒的自然分离。研究团队采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S140，精度：10μm）制备了该装置。整体尺寸仅2mm厚、10mm宽，其中还包含一个独特的漏斗型空腔和反向喷嘴结构，配合熔融石英毛细管组成完整的进样和收集系统。这种设计不仅确保了流动的对称性，还大大简化了操作流程。

研究团队通过系统实验验证了装置的分离能力。分别使用50μm和100μm内径的进口毛细管进行测试，结果表明该装置能够实现可调节的尺寸分选阈值。当使用100μm毛细管时，装置可有效分离6μm以上的颗粒；而改用50μm毛细管时，分选阈值可降至2μm。

在不同流速条件下的测试显示，装置在20-100μL/min的流速范围内均能保持稳定的分选性能。即使是在高流速下，10微米颗粒仍能被有效富集到收集口1，而收集口2基本检测不到目标颗粒，证明了装置在较宽操作范围内的可靠性。

在藻类富集实验中，研究团队使用含有红杆菌和藻类的混合样本进行测试。通过100μm毛细管进样后，流式细胞术分析显示，藻类细胞在收集口1实现了近两倍的富集效果，而收集口2主要包含单个细菌细胞，藻类污染率极低。这一结果验证了装置在复杂生物样本中按尺寸分选的有效性。

在干细胞分离实验中，装置同样展现出优异性能。将人工污染了铜绿假单胞菌的人胚胎干细胞样本通过装置处理后，收集口1实现了干细胞1.4倍的富集，而收集口2则不含干细胞细胞，为污染物分析提供了纯净样本。这种双出口设计使得用户能够同时获得富集的目标细胞和分离的污染物，为质量控制提供了独特优势。

相比传统方法，该3D打印装置具有显著优势。制造过程采用高通量的3D打印技术，单次打印可生产数百个装置单元，大幅降低了制造成本和时间。模块化的毛细管设计使得用户能够根据具体应用需求灵活调整分选尺寸，无需重新设计喷嘴结构。对于需要更高纯度的应用，可通过多次循环或串联多个装置来提升分离效果。这项技术为生物医学研究、环境监测和临床诊断提供了新的样本处理工具，特别是在需要快速分离和富集特定细胞的场景中展现出广泛应用前景。随着进一步优化和验证，这种基于3D打印的微流控分选装置有望成为实验室常规工具，推动精准医疗和生物技术的发展。