• 材料沉積噴墨打印及
    涂層系統解決方案

    我們的應用

    基于Inkjet、EHD、Ultra-sonic等技術積累,搭建材料噴墨打印與涂層研究與 應用平臺,從科研到產業為您提供解決方案。

    <p>組織工程,藥物微球,油包水,生物化學傳感器,生物芯片,單細胞,微陣列原位合成(肽合成等),微陣列(點樣),血管支架,球囊導管等。</p>

    生物醫療

    組織工程,藥物微球,油包水,生物化學傳感器,生物芯片,單細胞,微陣列原位合成(肽合成等),微陣列(點樣),血管支架,球囊導管等。

    典型案例

    • ▲ 微粒打印

      在顆粒技術和粉末制造領域,需要生產具有均勻特性的顆粒,以達到嚴格的產品質量。目前的霧器可以產生各種形狀的噴霧,但是高氣體流量和進料流量以及不同的噴霧方式會導致噴霧空氣混合復雜、霧滴軌跡復雜,進而導致霧滴和霧滴壁碰撞、壁沉積、污垢、腐蝕、有害團聚、大粒徑分布,最終形成不均勻的產物。近年來,所有以粉末形式生產的材料都不斷要求新的粒子特性,以改善有效密度、壓實性、連接、分布和定向性,以形成獨特的基體材料。此外,生物和制藥對高球形顆粒提出了新的要求。如,球形顆粒提供了一種有用和實用的手段,通過提供足夠濃度的藥物直接作用于靶點,以在預期的幾天到幾個月的時間內實現適當的藥物釋放,使藥物的藥效最大化,因此,特別適合于化療藥物和結核病藥物的膠體藥物遞送。此外,在許多生物、農業和藥物測試研究中,會涉及對細胞結構和功能的理解,而其數據/信號的靈敏度和重現性與樣品粒子的均勻性有直接關系。噴印技術,是一種快速、可靠、無溶劑的工藝,具有產生單分散液滴的顯著優勢,可精確控制液滴特性,因此可用于微粒印刷的產生。 MicroFab公司生產的MJ-AT-01擠壓式壓電打印頭,噴頭噴嘴孔徑為30μm,可用于微粒的產生。如,采用納米銀懸浮液和金屬有機硝酸銀溶液(AgNO3)進行研究,發現噴墨油滴的尺寸將決定最后的線寬,在噴墨打印過程中,懸浮顆粒的存在會增大墨滴在基材上的直徑。進一步采用更高的驅動脈沖,可明顯提高噴墨打印導電線的成形性。然而,更大的線寬引入會導致較高的熔滴重疊與較低的驅動脈沖相結合,引起脹形現象,使直線度變差。 MicroFab公司生產的噴墨裝置(MJ-SF-80)也可用于制造具有不同形態和表面特征的顆粒。該設備長34mm,直徑12mm,孔板直徑80μm,噴墨裝置由一個環形壓電換能器連接到一個玻璃毛細管組成玻璃毛細管一端連接到進料容器,而另一端具有用于噴射液體的孔板。通過對壓電換能器施加電壓,換能器產生了封閉在玻璃毛細管內流體的體積變化,進而產生壓力波,壓力波通過液柱向噴嘴方向傳播,孔口處流體柱橫截面的驟變會誘發液滴的形成。由于噴墨微點膠是數據驅動的、非接觸式的,因此能夠以高速率在非平面表面上精確沉積皮升體積。由于是數據驅動的,使用靈活,可應用到生產線進行自動化操作。此外,不需要特定應用的工具,如光罩或屏幕;作為一種添加劑工藝,沒有化學廢物,屬于環境友好型。

    • ▲ 活體單細胞打印

      使用MicroFab Inkjet技術噴墨打印的大鼠視網膜細胞,這些細胞不僅存活下來,而且還保留了生長發育的能力。(劍橋大學,2013)

    • ▲ 活體單細胞打印

      細胞,作為生物結構和功能的基本單位,研究其相關生物行為及其規律與本質,對于探索疾病的機理與治療手段,有著巨大的意義。對細胞的研究是一個復雜的工程,細胞在人體內處于復雜的微環境之中,且細胞體積微小、種類多樣,在細胞水平進行細胞識別、代謝物檢測、內部組分分析、細胞結構與功能表征、細胞間相互作用分析等工作也都有著很高的難度。因為樣品量小,分析物濃度低,樣品體系復雜,細胞水平分析對于傳統的研究和分析方法與技術是一個巨大的挑戰。 在非均勻電場中采取介電泳(DEP)的方法,可有效進行單細胞的無接觸處理。微波通過在覆有三層金屬層的柔性印刷電路板上鉆孔形成,因此每個微波形成了三個環形電極。聚苯乙烯珠和電池的實施裝置,包括一組微波管和一個流體裝置,用于從底部向微波管中填充生理鹽水緩沖液,并從頂部將顆粒分配到微波管中。有源微波有望替代單流腔或通道芯片,其主要優點是可在不同的位置分離細胞,支持靈活的上清替代,簡化單細胞回收程序,保證與標準高密度微量滴度板的機械相容性,但是依然存在高通量的痛點待解決。 在這項技術中,采用MicroFab的Jet Drive III和一個MJ-A可將聚苯乙烯珠和細胞進行均勻分配,噴射出的液滴體積為0.5 nl。實驗中,稀釋參數為105個細胞/ml,分析每滴細胞的統計分布得知,當每微孔滴10個細胞時,平均期望有0.5個細胞,可以有效獲得單個細胞。

    • ▲ 活體單細胞打印

      臨時單細胞涂層是細胞處理的有用工具,允許在重新建立正常細胞功能之前對細胞進行操作以防止細胞附著和聚集。在“陽離子聚合物用于生物加工的臨時單細胞涂層”的研究中,描述了一種使用已知聚陽離子 [poly(l-lysine), PLL] 的斑點涂層方法來誘導三種不同細胞類型(即兩種骨癌細胞系和成纖維細胞)上的細胞表面靜電荷。報告了細胞表面PLL斑點涂層的形態、聚合物的內化和代謝以及防止細胞聚集。發現聚合物濃度是控制膠囊形態和細胞健康的關鍵參數。這種方法允許在1-2小時內進行臨時細胞涂層,細胞在攝取和代謝聚合物后表現出表型正常行為。該過程提供了一種快速有效的替代方案,以幫助生物加工應用中的單細胞操作。還介紹了應用PLL斑點細胞涂層在實現可靠生物打印方面的初步工作。 (使用帶有內部儲液器的Jetlab?4單噴頭壓電打印機。從直徑為60μm的噴墨打印頭(MJ-AT-01-60-8MX)中分配兩種1×106個細胞/mL生物墨水,其中含有10μg/mL PLL涂層或未涂層細胞。)

    • ▲ 活體單細胞打印

      研究人員采用MicroFab的30μm、50μm和80μm噴頭搭建了微液滴發生裝置,進行了對噴射的哺乳動物細胞液滴的觀測和研究。噴墨打印后的細胞存活率與未打印的對照組一致。作為對照,移液到孔中的細胞的存活率為96.2%,從30μm和80μm噴頭噴射的細胞的存活率分別為94.4%和96.3%。之后進行CCK-8測定,以研究在達到平臺期之前的7天小噴頭直徑是否影響細胞的體外增殖。最后,進行細胞形態學檢查以進行定性分析。如上圖c所示,未觀察到明顯的形態異常和DNA斷裂;此外,這些打印的細胞仍然保持良好的對基材的粘附能力。這些結果表明,30μm噴墨噴頭對打印的哺乳動物細胞的影響和損害可以忽略不計。

    • ▲ 高通量細胞冷凍打印

      相關研究團隊已經成功地使用噴墨打印來冷凍保存源自人類胚胎干細胞(hESC)的3T3小鼠成纖維細胞和人類神經祖細胞(NPC)。通過以100Hz–20kHz范圍內的速率從380pl的單個液滴打印含有二甲基亞砜(DMSO)作為冷凍保護劑 (CPA)的細胞懸浮液,形成體積為114nl的固著液滴。打印和冷凍/解凍循環(在液氮溫度下至少保持24小時)后,3T3細胞在所有液滴沉積速率下均表現出>90%的平均存活率,CPA濃度<0.8M。這比通常用于常規冷凍保存方法的CPA濃度要低得多。細胞活力隨所用聚合物底物的不同而略有不同,使用聚酰亞胺底物可獲得最佳結果。與保持24小時的細胞相比,3T3細胞在液氮溫度下儲存2個月后的生存力略有降低,但在儲存4或6個月后沒有進一步顯著惡化。在相同的冷凍/解凍循環后,NPC的存活率僅為55%,但這與使用更高CPA濃度的傳統冷凍保存方法相當。將細胞打印到保持在195K的基板上或直接打印到液氮中的一系列平行實驗表明,細胞存活率隨液滴沉積率的變化而顯著變化。與打印后冷凍時相比,細胞懸浮液需要更高水平的CPA。在低沉積率下,需要DMSO和聚乙二醇(PEG)的組合以允許冷凍后的細胞活力。這些結果表明,噴墨打印為細胞的冷凍保存提供了一種實用的高通量方法,其CPA濃度低于當前低容量冷凍保存方法所需的濃度。 (上左圖為研究中使用的三種冷凍打印程序的示意圖。a)打印到聚合物基板上并轉移到保持在193K的冰箱中。b)在冷卻至195K的金屬底座上打印到聚合物基板上。c)在77K的溫度下打印到含有液態N2的孔中。 上中圖為195K基板上的冷凍柱由以100Hz沉積的液滴打印。左邊的柱子正在打??;右邊的另外兩根柱子就完成了。打印后獲得的圖像:a)1秒,b)2秒,c)3秒。 上右圖為:以20kHz打印的195K基材上的凍結點。 打印后獲得的圖像:a) 1秒,b) 2秒,c) 3秒。)

    • ▲ 細胞封裝

      藻類細胞固定化是廢水處理、有用代謝物生產和養殖管理的常用技術。然而,目前技術中對固定液滴的大小、微生物種群和生產率的控制需要改進。在這里,Hwa-Rim Lee所在課題組首次使用按需噴墨打印將海藻的孢子固定在海藻酸鹽微粒中。通過將藻酸鹽-孢子懸浮液打印到氯化鈣溶液中來產生帶有固定孢子的微粒。他們證明噴墨技術可以通過改變墨水中的孢子密度將噴射液滴中的孢子數量控制在0.23到1.87的范圍內。在基于打印的孢子封裝后,他們觀察到菌體的初始發芽和持續生長,直到培養45天。該研究表明,噴墨打印具有固定藻類的巨大潛力,并且控制封裝孢子數量及其微環境的能力可以促進對封裝孢子微觀相互作用的研究。 將藻類細胞固定在聚合物水凝膠中具有廣泛的應用。固定化藻細胞可用于污水處理,以去除養分、金屬和工業污染物。捕獲的藻類細胞還可用于產生代謝物、測量毒性、通過冷凍保存細胞以及管理原種培養物。該技術還能夠改善固定化藻細胞的代謝、功能和生長。在水凝膠顆粒中捕獲微生物的方法包括將細胞懸浮液常規滴入裝有硬化溶液的容器中;擠壓滴水;重力驅動滴水;懸浮噴涂。所有這些方法要么速度慢,要么無法充分控制液滴的大小、微生物含量或生產率。一種實用的方法將克服這些缺點。 按需噴墨(DOD)噴墨打印廣泛用于各種領域,如生物打印、印刷電子和3D制造。DOD壓電噴墨打印在壓電噴墨打印機的噴嘴通道中使用了一個壓電致動器。電壓脈沖會減少裝有墨水的腔室的體積,因此有些會以液滴的形式噴出。壓電噴墨打印可以在>10kHz下產生大小為1–100pL的液滴。噴射液滴的大小可以通過調整輸入電壓脈沖或選擇合適的噴嘴來控制,并且小于水凝膠中營養物質和代謝物的擴散極限(100-200μm)。小尺寸的微??梢允共东@的藻類細胞生長過程中的抑制作用最小化。由于能夠噴射少量墨水,噴墨打印已被用于封裝大分子、藥物和哺乳動物細胞。(Jetlab?II, MicroFab)

    • ▲ PLGA微球(紫杉醇)

      廣泛應用微囊化藥物、燃料、香料、粘合劑藥物的控制釋放、動植物細胞培養、細胞和酶的固定以及生化物質分離等領域,具有廣闊的應用前景。 現階段的研究熱點集中于減小微囊的體積和微囊尺寸均勻化。這是由于體積小的微囊具有利于氧和營養物的供應、囊內死腔小和便于微環境投放等優勢。常見的溶劑蒸發法、相分離法、界面沉積法和噴霧干燥法等物理化學法,需要在高溫條件下或使用反應劇烈的破壞性有機溶劑,制備的微膠囊粒徑分布寬,很難滿足醫藥工業和生物技術領域中保持生物物質活性的要求。而噴印技術制備的微球囊具有以下優勢: (1)微球囊尺寸高度統一; (2)微球囊的制備尺寸可調整; (3)微球囊的藥物釋放速率可控; (4)生產規模易于擴大(使用陣列噴頭或多噴頭); (5)局部給藥,避免毒性擴散; (6)生物可降解,無需手術切除。 目前,Jetlab制備的微球囊,可控的粒徑范圍15~100μm。研究顯示,采用該系統制備的載紫杉醇微球,對所載的紫杉醇分子本身無破壞,保證了藥物的治療效果,包封率至少可達67% ,且粒徑均勻,藥物釋放緩慢。研究表明,噴墨技術生產的微球持續釋放超過50天,可有效抑制和逆轉腫瘤的生長。 由于噴墨技術依賴于數據驅動、非接觸技術的結合,因此可將精確的皮升體積的材料在目標地點高速、準確地存放。MicroFab公司的噴墨技術可在三維層次分配生物材料,廣泛應用于藥物傳遞和組織工程。標準的JetLab系統常用于生產給藥系統,該系統包括:1)微細分發硬件,由一個或多個印刷壓電裝置構成,允許單或多流體分發或擴大單一流體分發;2)樣品打印三軸運動系統,通常包括3個定位階段與光學編碼器(編碼器分辨率1.0m);3)光學系統,以兩臺黑白CCD相機和一個抓幀器為準,可對準運動臺和印刷基板,檢查噴射過程的質量,確保噴射的效果;4)驅動,這種脈沖的特性取決于流體特性和微分發裝置的結構;5)可選擇的軟件(內部開發):打印裝置/流體,可應用于打印裝置的電脈沖特性,每個位置的滴點數量和打印圖案。 采用噴墨技術中常見的各種方法,如點選和連續模式噴射,可制備具有窄尺寸分布(標準差1m)的紫杉醇單分散微球。HPLC測定的載藥效率至少為68%,高效液相色譜分析表明,微球囊對藥物分子并不產生影響,而MTT試驗證實其對癌細胞具有殺傷作用。體外試驗表明,制備的紫杉醇微球釋放時間約為50d,在此期間的藥物釋放超過80%。因此,MicroFab噴墨技術可用于制備具有良好藥理性能的單分散微球,而且,與其他微球囊制備方法相比,制造過程從熱力學控制機制轉變為機電驅動機制,更易于控制。

    • ▲ PLGA微膠囊(阿莫西林)

      相關研究團隊在“利用微噴射技術制備阿莫西林微膠囊制劑”的研究中,以聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)為微膠囊殼材料,阿莫西林為模型,聚乙烯醇和雙糖苷為表面活性劑,采用數字微噴射技術和直徑40μm的玻璃噴頭(MicroFab)制備阿莫西林-PLGA微膠囊。采用單因素分析和正交試驗方法研究了微噴射系統參數對阿莫西林-PLGA微膠囊平均粒徑和粒徑分布的影響,即PLGA溶液濃度、驅動電壓、噴射頻率、攪拌速度等,得到了最優結果;還分析了微膠囊的形式表示。結果表明,在一定的實驗藥物處方條件下,驅動電壓與粒徑成正比;噴射頻率與攪拌速度成反比。當PLGA濃度為3%,驅動電壓為80V,噴射頻率為10000Hz,攪拌速度為750rpm時,顆粒處于理想狀態,平均粒徑為60.246μm,包封率分別達到62.39%和2.1%用于載藥。

    • ▲ 多層微球

      癌癥的治療過程中發現,許多類型的癌癥不僅對一種藥物產生反應,而是會對至少兩種細胞毒素或兩種抗癌藥物產生聯合反應,而且,藥物的綜合治療可有效降低癌癥復發的風險。但是,由于多種藥物在治療過程中對劑量的要求會有所不同,因此,與傳統的由固體聚合物微球組成的微球不同,科研人員進一步研發了一種雙層微球結構,其聚合物的核心被另一種聚合物的涂層包裹,多種負載藥物可以針對性的治療不同類型的癌細胞。此類載藥聚合物微囊,利用其可對指定組織、器官的靶向性和對藥物的緩釋特性,從而有效地降低藥物給病人帶來的副作 用并提高藥物的生物利用度。 目前,該類藥物載體的發展和研究重點體現在--開發新型微粒制備方法,提高藥物的包封率,并且在最大程度上確保芯材的完整性和活性,制備過程必須安全無毒;其次是通過對微粒殼材的修飾,使其具有良好的生物通透性,從而加強微粒的包封性能,具有靶向性,對病變細胞或組織具有特異性的識別,讓藥物穿過人體內的生物屏障直接作用于病變區域,提高生物利用度。 利用基于MicroFab微壓電噴頭的微噴射系統,可用于生產雙層微球。該系統由兩根遮光管組成。外管用于注入形成外殼的液體,而空氣注入內管??諝饪梢杂玫诙N流體代替,從而產生多層球體。

    • ▲ 巨型單層囊泡(GUV)

      對參與生物過程(如內吞作用、胞吐作用和運動性)的關鍵分子成分的了解越來越多,這使得通過重構直接測試提出的機械模型成為可能。然而,目前從純化成分構建越來越復雜的細胞結構和功能的技術在創造模擬真實細胞的物理和生化限制條件的能力方面受到限制。在“形成具有受控膜成分、不對稱性和內容物的巨大囊泡”的研究中,相關研究團隊提出了一種形成巨型單層囊泡的綜合方法,同時控制(i)脂質組成和不對稱性,(ii)定向膜蛋白摻入,以及(iii)內部內容物。作為這種方法的一種應用,研究團隊構建了一個合成系統,其中膜蛋白被傳遞到巨囊泡的外部,模仿胞吐作用的各個方面。使用共聚焦熒光顯微鏡,研究人員觀察到小的封裝囊泡與巨型囊泡膜對接和混合膜成分,導致先前封裝的膜蛋白暴露于外部環境。這種創建巨型囊泡的方法可用于測試依賴于受限體積和復雜膜組成的生物過程模型,并且可用于構建用于治療和生物材料應用的功能系統。(上圖為具有油不溶性脂質的巨型單層囊泡GUV是通過將SUV小單層囊泡摻入平面雙層中,然后進行微流體噴射形成的。(A)使用定制的丙烯酸室通過MicroFab壓電噴墨的微流體噴射形成巨大的囊泡。腔室安裝在顯微鏡臺上,噴墨裝置從腔室側面的端口插入。為了圖像清晰,該腔室不包含油滴或水滴。比例尺,4mm。 (B)在含有油的丙烯酸室中培養含有具有油不溶性脂質(紅色)的SUV的水滴。一個薄的丙烯酸隔板將兩個水滴分開。(C)SUV在水滴內擴散,直到它們接觸并融合到油/水界面,在每個水滴周圍形成連續的脂質單層。去除薄的丙烯酸隔板允許兩個液滴一起移動并排除它們之間的油。當兩個脂質單層接觸時,它們形成一個平面脂質雙層。GUV是通過使用噴墨裝置進行微流體噴射而形成的,該噴墨裝置將平面雙層變形為囊泡。噴墨的重復脈沖導致形成多個單分散囊泡。(D)TMR-PIP2通過這種方法被納入GUV并通過共聚焦顯微鏡成像。比例尺,50μm。)(2011)

    • ▲ 黑色素納米顆粒薄膜

      黑色素是一種由黑色素細胞產生的天然生物色素,可以在大多數生物體中找到。黑色素獨特的物理和化學特性使其可用于多種應用,尤其是那些需要生物相容性功能材料的應用。相關研究團隊介紹了一項可以利用黑色素的重要技術:就生物相容性基質而言的藥物遞送系統。然而,從不同的生物來源中提取黑色素既昂貴又耗時,并且在化學結構、性質和功能方面引入了可變性。因此,使用生物提取的黑色素很難實現功能可重現的系統。在合成黑色素納米顆粒的噴墨打印作為藥物制劑的生物相容性基質的研究中,研究人員報告了可控均勻尺寸和化學特性的黑色素納米顆粒的合成。通過光學共焦光致發光(PL)成像、掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和Zeta電位法表征合成納米粒子的光學、化學和結構特征。黑色素納米顆粒具有100nm的尺寸和窄的尺寸分布。與本體顏料相比,納米顆粒結構的優勢在于其增強的表面積與體積比,這對于控制微觀表面積至關重要的應用非常重要。使用噴墨打印技術(MicroFab Jetlab噴墨打印系統),研究人員開發了墨水浪費少的黑色素薄膜,并在其中加載了亞甲藍(研究團隊的代表藥物),以測試黑色素納米顆粒的載藥能力。噴墨打印使他們能夠創建具有精確沉積和少墨水浪費的光滑均勻薄膜。光譜分析證實了“藥物”作為基質附著在黑色素納米顆粒上。因此,研究人員的數據將黑色素識別為可集成到藥物釋放應用中的材料系統。(上圖為載藥前后噴墨打印和滴注法制備的黑色素納米顆?;∧さ奶匦?。(a)黑色素納米顆粒薄膜在加載藥物前后的紫外至近紅外光吸收。研發人員使用亞甲藍(MB)作為模型藥物。MB在618nm和670nm處的特征吸收峰疊加在黑色素的寬帶吸收上,證實了藥物的成功加載。(b)薄膜照片也清楚地證實了載藥量。黑色素膜的特點是呈褐色,而加載MB的黑色素膜呈藍色。噴墨打印技術制備的薄膜的質量會影響需要均勻沉積方法的可靠藥物輸送系統的制造。如圖所示,噴墨打印的黑色素和加載MB的黑色素薄膜明顯比其他技術制備的薄膜更均勻。)(2020)

    • ▲ qPCR液滴陣列

      在“基于雙噴墨打印的新型皮升液滴陣列,用于并行實時聚合酶鏈反應”的研究中,相關研究團隊開發并表征了一種新型皮升油滴陣列,該陣列通過雙噴墨打印方法在專為定量聚合酶鏈反應(qPCR)分析而設計的均勻疏水硅芯片上生成。提出了雙噴墨打印以有效解決在平面基板上陣列生成過程中皮升液滴的蒸發問題,而無需加濕器或甘油的幫助。該方法利用壓電噴墨打印設備(Jetlab?4噴墨打印系統)將試劑液滴精確噴射到油滴中,油滴首先分配在疏水和疏油基材上。在陣列制造和熱循環過程中沒有觀察到蒸發、隨機移動或交叉污染。該研究團隊證明了這種新型雙噴墨方法用于實時PCR分析的可行性和有效性。這種方法可以很容易地產生體積變化范圍從皮升到納升的多體積油滴陣列。此功能對于針對寬和可調動態范圍的同時多體積PCR實驗很有用。這些基于雙噴墨的皮升液滴陣列可能具有多路復用應用的潛力,這些應用需要用于單細胞培養、單分子酶測定或數字PCR的隔離容器,并為在平面基板上生成液滴陣列提供了一種替代選擇,而無需化學圖案化。(上圖左側為在二氧化硅固體載體上通過雙噴墨打印制備皮升油包油陣列的示意圖和明場圖像。(a)油滴陣列形成。(b)PCR混合物分配在第一個油微陣列上以產生液滴油陣列。(a)和(b)的下部顯示了油和油中液滴陣列的頂視圖。(c)二氧化硅基板上油陣列的明場立體顯微圖像。插圖:展開視圖。(d)在(b)中制造的油滴陣列的明場立體顯微鏡圖像。插圖:擴展視圖。比例尺:500μm。)(上圖右側為工藝示意圖,在 (a) 中,使用2nL礦物油液滴生成4x5陣列。(b)顯示了將800pL含有用作被動參考的ROX染料的PCR試劑添加到油滴中后的相同液滴。在(c)中,通過微量移液器注入過量的礦物油,直到液滴陣列被完全覆蓋。 最后,在(d)中,將用蓋玻片密封后的芯片放置在熱循環儀上以進行40個循環的并行實時PCR。比例尺:500μm。)

    • ▲ ddPCR油包水微滴

      微滴數字PCR(droplet digital PCR, ddPCR)主要是將兩種互不相溶的液體,以其中一種作為連續相(油),另一種作為分散相(水),在水/油兩相表面張力和剪切共同作用下分散相以微小體積單元的形式存在于連續中,從而成液滴。這種液滴式的反應腔室具有體積小、樣品間無擴散等優勢。 在ddPCR中,利用微液滴發生系統可以一次生成數萬乃至百萬個納升甚至皮升級別的單個油包水微滴,作為數字PCR的樣品分散載體。 上圖是使用MicroFab的Jetlab?4噴墨打印系統,以30kHz的頻率,在油槽的液面下方,噴墨打印水相溶液,形成了穩定的直徑45μm左右的油包水微滴,一致性好,排列整齊。(睿度光電2021高通量ddPCR油包水微滴打印測試)

    • ▲ 微陣列(點樣)

      傳統的點樣微陣列制備方法,是采用計算機控制的xyz運動臺實現,其頭部使用筆尖式搜集裝置從多孔板上獲取小滴的溶液,然后轉移、點樣到表面。當使用平面固體表面基板時,筆式打印實用性高且可重復。但是當使用不均勻的膜型襯底時,接觸技術會出現較多問題。當表面區域低于一支筆或一組打印筆中的一支筆的水平時,不均勻的基片會導致遺漏點;而薄膜吸收斑點溶液太快時,斑點會導致表面凹痕的出現和斑點不均勻。而且,由于每個點印的容量控制范圍有限,會導致無法疊印。正壓驅替,利用注射器系統或閥門射流沉積流體,在閥噴技術中,一個孔口或噴嘴附在一個電磁閥上,電磁閥快速開啟和關閉,從加壓的流動中產生間歇的水滴流。注射器系統從樣品孔中抽取液體,然后使用正位移將液體分發到基板上。由于流體特性對分膠效果的影響小于對壓電微分膠效果的影響,因此該系統具有較高的可靠性。然而,正壓力驅替微分配器系統在低容積時,其可重復性率較低。 MicroFab按需滴式壓電微分發裝置屬于微分液裝置,當流體保持在環境壓力下,僅僅在需要時,使用壓電換能器制造液滴。換能器在流體中產生體積變化,從而產生壓力波;當壓力波傳播至孔口時,轉化為流體速度,從孔口噴出一個液滴。作為一種非接觸式技術,噴墨調劑的精度不受流體如何潤濕基板的影響,如在調劑過程中,正位移或筆轉移系統將流體接觸到基板上,流體源不會被基板上的流體或基板材料所污染。因此,可使用不同的試劑或生物液進行疊印,且減少交叉污染的風險。最終,流體液滴可自由移動的距離超過1 mm,可將流體分配到井中或其他基質特性中(例如,控制潤濕和擴散的特性)。MicroFab技術正在使用單玻璃管壓電式分配器,同時將其高密度按需滴陣列打印頭技術用于生物活性流體微分配器。集成陣列噴墨噴頭的使用,在高密度/高精度條件下,有效簡化了多噴墨系統的設計和操作。 壓電式按需滴式噴墨打印技術用于微分發液體在DNA和免疫分析診斷、表達研究和高通量篩選方面具有廣泛的適用性。研究發現,利用MicroFab噴墨微分配技術,可以以0- 4000 /秒的速度生產出直徑為25-100μm (10pL-0.5 nL)的流體球體。MicroFab噴墨微分配裝置可廣泛應用于打印多種流體(探針、試劑、生物樣品流體、表面激活流體等)。

    • ▲ 粘合劑(點膠)

      上圖是用同一設備印刷的各種尺寸(最小80μm直徑)的膠點,可調整局部材料密度。在醫療設備、曲面屏幕、MEMS組件等器件的制備方面,均需要合理有效地分配非接觸式粘合劑,以防止損壞或污染設備。這是因為,精密儀器制備中,微型光學元件附著在非常小的其他元件上,如何使在雙方達到緊密連接是關鍵。常用于粘接的材料可以是熱塑性/熱固性/熱熔氰基丙烯酸酯、環氧UV固化硅酮丙烯酸酯聚氨酯,且均可使用噴墨技術進行微點膠打印。許多商用膠粘劑產品適用于噴墨沉積,而另一些則需要進行調整??紤]在分配器孔口達到的剪切速率,50cPs被認為是流體粘度的實際極限,因此,具有較高粘度的商用粘合劑可以通過加熱或稀釋的方式引入噴墨式分配器的操作范圍。 噴墨微點膠的優點在于精確控制位置、單點膠量、物料在面積上的分布和線寬。MicroFab使用噴墨打印方法可制造各種組件和設備,使用的材料包括光學粘合劑,紫外光固化聚合物,指數調整熱塑性配方和其他特殊粘接材料。MicroFab高溫打印頭用于在高達220 ℃的溫度下分配粘合劑材料,通過改變工藝參數、點陣、細線和區域,打印范圍從10μm到幾毫米,精度水平只有幾微米。 使用MicroFab的高溫打印頭,粘度在100- 200cps范圍內的粘合劑可以加熱到100℃左右,將其粘度降低到一個可接受的范圍,或使用相容溶劑稀釋降低粘度,可在涂膠后溶劑蒸發,只留下粘合劑。 此外,還可以通過在商用粘合劑材料中填充金屬顆粒、碳納米管或陶瓷顆粒,改進其導熱性或導電性。

    • ▲ 柔性可穿戴壓力傳感器

      柔性電子材料具有高靈敏度、可彎折等優點,具有可穿戴性,可應用于各類柔性傳感器,如壓力傳感器、觸覺傳感器、氣體分子傳感器等。在電子皮膚、醫療監測、智能機器人等方面應用廣泛。上圖所示為基于銀納米線(AgNW)噴墨打印的柔性電阻式壓力傳感器,靈敏度高達0.48 kPa-1。

    • ▲ 柔性可穿戴溫度-壓力傳感器

      作為人體皮膚最敏感的部位之一,指尖可以區分溫度-壓力刺激,具有特別高的空間分辨率。它使人工指尖的構建比典型的電子皮膚更具挑戰性。因此,構建高度集成的MFSOTE陣列對于滿足所謂電子手指的要求至關重要。通過使用MicroFab的Jetlab?Ⅱ噴墨打印系統,中科院化學所相關研究團隊在織物框架上制造了2×3cm2(每個像素0.25mm2)的高分辨率MFSOTE陣列,其中包含1,350個像素。上左圖顯示了在指尖上噴墨打印的MFSOTE矩陣的照片。當指尖接觸一個接觸面積為1.4×1.4mm2的小冰塊時(4個像素),在重建的地圖上收集了空間分辨壓力(2-3kPa)和溫度(0-5°C)信息,如上右圖所示。這些結果意味著該傳感陣列具有出色的空間分辨率和雙參數傳感能力。

    • ▲ 柔性表皮電化學葡萄糖傳感器

      天津大學相關課題組開發了一種柔性表皮生物微流控裝置,以實現連續血糖監測。如圖A所示,該裝置可以像創可貼一樣緊緊地貼在皮膚表面,以獲得血糖濃度變化的信息。柔性裝置不會影響人體的正?;顒?,應用起來非常方便。此外,柔性裝置可以隨著皮膚的運動而變形,這避免了由裝置和皮膚之間的相對運動,從而促進透皮吸收。圖B顯示了表皮生物微流體裝置的結構,其包括兩個部分:溫度控制部件和葡萄糖檢測貼片。圖C顯示了制造的葡萄糖檢測貼片的照片。該裝置完全由噴墨打?。∕icroFab)的直寫技術制造,包括柔性電極的形成、納米材料的原位改性和酶分子的固定。全印刷工藝使得制造容易,成本低,有利于實際生產。

    • ▲ 葡萄糖生物傳感器

      用噴墨打印技術制造葡萄糖生物傳感器。a)在碳電極上打印4000滴GOX溶液后的固定滴。b)是(a)滴入的平面圖。c)20×20網格的平面圖,每個網格位置打印10滴。通常用于酶傳感器的碳電極相對疏水,初始大接觸角導致打印后酶溶液的擴散不良(a和b)。為了在電極上實現更均勻的酶沉積,可以添加表面活性劑以降低接觸角,或者可以對打印機進行編程,以將單個打印液滴分布在電極上的定義陣列中,而不是在單個位置(c)。向溶液中加入表面活性劑會降低其表面張力,從而降低接觸角。(MJ-ATP-01, MicroFab)

    • ▲ 個性化藥物制備

      按需噴墨 (DOD) 噴墨打印允許精確沉積皮升 (pL) 大小的含有無機和有機材料的溶液液滴,以支持NIST的各種關鍵程序。在其中一個項目中,他們正在探索使用噴墨打印機作為制備個性化藥物的方式的可能性,重點是根據患者的需要,結合患者的需要,在正確的時間以正確的劑量制備“正確的藥物”。方便實時準備。這當然需要用于表征和驗證的工具,而噴墨打印機目前協助為成像質譜儀等高級表面分析工具準備定量測試材料。 研究團隊開發了量化和控制沉積過程的專業知識,并將這些知識應用于將藥物成分直接打印到多種遞送機制上(例如,上圖 顯示了可食用紙上NaCl的打印圖案。 (a) 將水性“墨水”沉積在疏水表面上以控制足跡,以及 (b) 使用成像質譜儀生成的2D化學圖像,顯示打印在可食用纖維素紙上的Na+離子的分布。噴墨打印機上的線性致動器的運動增量為1μm。圖像尺寸為10mm×10mm)。使用一系列光學和質譜技術,他們已經證實了大量藥物和藥物的空間局部沉積,其數量高達毫克 (mg) 水平。

    • ▲ 用于高級表面分析工具的定量測試材料

      通過控制沉積過程,可以調整關鍵參數,如空間分布、粒度和分析物的數量,以生產測試材料,以驗證NIST各種表征工具的有效性。在一個例子中,將不同數量的不同大小的金納米粒子打印到明膠上(上圖,(a)ToF-SIMS圖像顯示含有不同數量金納米顆粒的測試材料噴墨打印到明膠上,以及(b)校準曲線與(30、80、100和150)nm 金納米顆粒的質量相關金離子的強度。),明膠被選為生物系統的基質匹配替代品。使用ToF-SIMS可以獲得線性關系,這表明即使是無機顆粒也可以使用這種技術進行量化,每個沉積物的毒理學相關濃度為幾個(飛克)到數千個納米顆粒(皮克)。這表明使用這種方法也可以量化束縛在納米顆粒上的藥物成分。

    • ▲ 農藥精確變量噴施研究

      ?農藥精確變量噴施技術一直是智能化植保機械的重要研究內容,一直是精細化農業領域的研究熱點。農藥精確噴施牽涉到農藥的有效利用、農產品安全、環境污染和操作者的人身安全等眾多問題。如何按照農業要求快速準確地進行噴施作業,并使其具有良好的霧化特性和均勻性是噴施的關鍵要素。 農藥霧滴在葉片表面的沉積、潤濕和粘附行為在植物保護中至關重要,因為對它們的研究能有效減少化學品浪費和環境污染。實際中數以百萬計的直接作用于植物表面的農藥霧滴會到達非目標地點,且這些農藥在降落途中可能被風吹離軌道,也可能從植被表面反彈回來。這種偏差導致施藥效果降低且施藥頻率增加,因此,將大多數液滴定位在目標表面以防止化學物質損失在農藥植保中是一個非常值得關注的問題。解決這一問題的方法包括用表面活性劑改變農藥制劑的流變性質,并對噴霧液滴進行靜電充電,以增強在葉片表面的沉積和擴散效果。表面活性劑的加入起到發泡或消泡、穩定或緩沖以及潤濕或粘附性質的作用,并降低制劑的界面張力以增強液滴的沉積。來自有機硅氧烷、聚電解質和乙氧基化合物的表面活性劑已被試驗證明有效,其效力取決于濃度水平。雖然表面活性劑農藥復合物改善了植物表面的液滴沉積,但它受到葉片方向和表面形態、液滴行為和施用系統的抑制。親水或疏水葉片表面在正面-背面部分暴露于噴霧液滴決定了沉積效率。噴射液滴的電荷疊加也增強了極性吸引和環繞沉積。高電壓施加為液滴提供了特有的負電荷,以吸引葉片結構中的正離子。在不同的各向異性的情況下,表面活性劑-農藥配方和電極荷電率的組合效應可以最大化液滴在不同葉片表面上的沉積和擴散。 江蘇大學課題組利用自己設計的藥物液滴觀測分析平臺研究了不同濃度的表面活性劑和農藥制劑在疏水性葉片正面的原位帶電單尺寸液滴行為。實驗平臺可以研究溶液電導率、液滴荷電率、表面張力、靜態接觸角、疏水性葉片表面上的沉積和潤濕面積。定制的液滴發生器與開發的感應電極噴嘴帽相結合,用于產生帶電的單一尺寸的液滴。該模型包括一個注射針頭,通過頭部泵的振蕩運動將帶電液滴流分配到葉片表面。注射器的不銹鋼針頭長度為5毫米,直徑為0.71毫米,容量為2.5毫升,可產生2至5微升的單個液滴。針頭固定在噴嘴帽內,每側有兩個30 × 10 × 3毫米的電極,并連接到容量為15千伏的高壓發生器,以在液滴破裂時將負電荷疊加到液滴上。使用平板電極在農藥噴灑的連續液滴排放區(適用于扁平扇形噴嘴)獲得高性能和最大充電強度的對稱電場。該裝置是可調節的,以在任何設置下保持針尖和測試臺之間的最大距離為50毫米。該裝置在一個封閉的實驗室內,內部有靜風以防止液滴噴射脫軌,濕度為67%,溫度為25℃,以提供模擬現場條件的理想液滴蒸發。將不同濃度的表面活性劑-農藥復合物的制劑吸入注射泵。以指定的時間間隔轉動注射器的旋鈕,以噴射帶電的液滴大小。 在葉片表面,帶電的單一大小的液滴在破裂后具有勢能,降落(沉積),膨脹獲得動能(擴散),并根據表面的各向異性粗糙度或光滑度粘附(保留)或脫落(反彈)。光譜研究了霧滴在葉片表面的沉積、滯留、擴散、反彈和接觸角等撞擊行為。由于葉片表面的形態特性是生物穩定的,因此只有配方和應用系統才能得到改善,以增強液滴撞擊行為。表面活性劑的加入改變了農藥溶液的流變特性,而電荷的疊加有助于液滴撞擊葉片表面結構。不同濃度的表面活性劑-農藥溶液的電性能和導電性從根本上影響了液滴的荷電性以及液滴在葉片表面的沉積狀態。 液滴體積大小的變化直接影響表面活性劑和農藥制劑在施用過程中的表面張力。溶液中分子內的內聚力對于較大的液滴尺寸比較小的液滴尺寸更強,因此γ值更大。在所有配方中,液滴尺寸的增加使γ值最大化。相比之下,水溶劑會產生較大的液滴,但在水溶液中混合表面活性劑和農藥會產生較小的液滴,從而產生較低的γ值。 在農藥噴灑過程中,液滴表現出撞擊、彈跳或擴散行為。配方的流變性質和葉片表面的紋理類別影響著撞擊過程,這取決于液滴夾帶的動能。由于彈跳通常在高沖擊力下發生,在本實驗中,靜電感應原理應用于表面活性劑-農藥溶液的液滴時,這種現象是不可見的。帶電液滴轟擊、固定和潤濕葉片表面的時間取決于液滴的體積。在植物的正面葉片上,不同濃度的乳油和制劑的液滴沖擊行為不同。液滴在表面的擴散隨著溶液中表面活性劑-農藥濃度的增加,達到最大平衡點。 總之,在實驗室中研究了表面活性劑-農藥復合制劑對電荷的響應性,以增強液滴在疏水性葉表面上的撞擊行為。該制劑在溶液中表現出表面活性劑和農藥作為超級分散劑的特征。除水外,表面活性劑和農藥在水溶液中的電導率隨著濃度的增加而增加,這進一步增加了液滴的電荷量。噴射液滴流中電荷的疊加降低了γ值,并且總是降低葉片疏水表面的接觸角。帶電液滴的γ值和靜態θ值的下降程度與液滴的大小和體積成正比。 在農藥噴霧應用方面,MicroFab研制的微液滴發生系統可以為研究藥物噴霧的發生和控制提供一整套研究方案。通過MicroFab的微液滴發生系統可以觀測液滴在植物葉面上的運動情況及附著狀態。該系統可以很好的應用于農藥精確噴施技術的研究。其優點:1、高精度,噴墨產生高度可重復的液滴,可通過聚集產生更大的體積;2、連續變化,從此應用的角度來看,單個滴(20-200 pL)的極小尺寸幾乎會產生總(累積)量的連續變化。

    • ▲ 組織工程3D打印

      通過Inkjet技術和3D打印技術,將組織和器官的基本微元素有機結合起來,從而有效地克隆出具有生物活性和正常功能的組織和器官,對受損部分進行修復、替代和再生。

    • ▲ 燒傷組織修復再生

      組織修復與再生仍是醫學界長期存在的重要挑戰,常見的急性、慢性和先天性損傷均需要植入性的組織或器官進行治療,以提高患者的生存率和生活質量。然而,由于移植器官的等待周期過長、重建手術的組織需求量過大等因素,均嚴重阻礙治療進程。雖然患者是唯一的自體材料來源,但是患者的自身材料有限,因此,人工方法進行組織的構建受到越來越多的關注。體外的三維環境下,進行生物可吸收的聚合物創建,也對現階段的構建工藝提出更高的要求。 基于MicroFab的噴墨打印技術,具有高集成性和非接觸等顯著優勢,有望成為新一代組織修復新技術。MicroFab技術公司和Wake Forest再生醫學研究所研發了一種皮膚工程3D生物芯片,可進行三維條件下皮膚的修復研究,用于治療由于熱損傷、機械損傷、疾病、癌癥和遺傳疾病而造成的皮膚創傷。真皮修復結構打印機(DRCP)可精準控制細胞、基質和生長因子的體積和比例,構建功能細胞、生長因子、非細胞基質的三維空間,通過非接觸式的按需噴墨生物印刷技術,將皮膚組織再生的所需時間從傳統的14-21天減少至5-7天。 如圖所示,DRCP置于HEPA 100級正壓層流箱中,配有3D生物芯片和紫外線殺菌燈。打印頭安裝在龍門架上,包含兩個valvejet分配器和四個噴墨機?;瘜W反應性和紫外光反應性水凝膠的交聯可通過動態交聯噴霧器或光纖紫外光來實現。更換式加熱基底平臺可匹配SBS格式微波板(6,12,24,48,96孔),100mm培養皿和小的活動物(如小鼠和大鼠)。用戶可以通過scriptwriter程序創建打印模式,指定每個位置要存放的落點數量(通過落點增加的卷)、落點間距、要存放的層的順序以及交聯的類型和持續時間。

    • ▲ 神經組織的修復、再生

      通常來說,創傷性損傷往往會導致神經組織的丟失,臨床醫生只能從患者身體其他部位取得部分神經,以修復更嚴重的神經缺損。雖然自體神經移植成功率高達80%,但仍會對患者造成創傷。目前,組織工程師發現,采取人工方法(如,生物可吸收神經引導導管)促進神經再生可有效減少損傷。生物可吸收神經導管法將近端和遠端神經殘端在導管內縫合,優化創傷部位的生長條件,以促進神經再生。另外,由于導管在修復完成后被人體吸收,不需要手術移除。 噴印技術作為神經組織的修復再生提供了新思路,將噴墨技術應用于生物可吸收神經導管法可做到以下幾點: (1)管道內壁與外側均有涂層; (2)導管中裝入噴墨分液單元; (3)可將噴墨噴藥微球裝入導管; 更重要的是,噴墨方法具有高精度的特性,使人們能夠創建和控制管道材料中的蛋白質量或梯度,以及管道表面紋理和物理尺寸。組織工程工作站的打印程序可以精確控制沉積的精確點,分辨率為0.2 mm。

    • ▲ 癌癥微組織陣列

      通常,使用2D培養的癌細胞和動物模型來評估候選藥物。然而,盡管臨床前測試成功,但大多數進入人體臨床試驗的藥物都失敗了。高故障率主要是由于當前模型的響應與人類的不兼容造成的。在“通過噴墨打印在成纖維細胞層納米纖維膜上制造體外癌癥微組織陣列”的研究中,相關研究團隊通過噴墨打?。∕icroFab 高精度納米材料沉積噴墨打印系統 Jetlab?Ⅱ)在成纖維細胞層狀納米纖維膜上連續沉積膠原蛋白懸浮的Hela細胞,以多孔格式制造了一種癌癥微組織陣列,該陣列顯示出異質和批次間的結構?;|金屬蛋白酶2(MMP2)和基質金屬蛋白酶9(MMP9)在癌癥微組織中的表達高于無成纖維細胞的微組織。用抗癌藥物處理制造的微組織,在癌癥微組織中出現對多柔比星的高耐藥性,但在無成纖維細胞的微組織中沒有。這些結果介紹了一種用于癌癥微組織陣列的噴墨打印制造方法,該方法可用于各種應用,例如早期藥物篩選和漸進式3D癌癥研究。(2017)

    • ▲ 3D肺泡屏障模型打印

      隨著新呼吸道病毒的爆發和肺部疾病的高死亡率,迫切需要人類呼吸系統的生理相關模型來研究疾病發病機制、藥物療效和藥理學。生物打印技術是可用于制造復雜結構的3D組織模型的新興技術之一。生物打印可以3D方式自動沉積細胞和生物材料,實現組織模型的高度控制和定制生產。生物打印組織工程可以為體外藥物篩選和毒性研究提供更精確的模型。在生物打印技術中,壓電噴墨生物打印最適合重建薄而復雜的軟組織特征。這是因為按需打印方法具有分辨率高、打印速度快、高細胞活性、材料浪費低等生物打印技術的優勢?;趪娔纳锎蛴C在其噴頭中包括一個壓電制動器,在電脈沖下在墨水腔內產生聲波,以噴射典型體積為 1~100 pL(10-12L)的非常小的液滴(MicroFab噴墨技術可實現≥0.1pL的微液滴),噴墨打印的這種能力已被證明能夠在2D和3D環境中以高精度和速度對活的哺乳動物細胞進行微圖案化。(Jetlab?Ⅱ, MicroFab)

    • ▲ 結構蛋白打印

      萊布尼茨新材料研究所的Ma?gorzata K和 W?odarczyk-Biegun在“3D bioprinting of structural proteins”的研究中,重點講述了結構蛋白(膠原蛋白、蠶絲、纖維蛋白)生物打印的研究進展,作為一種特別有趣的技術來重建天然支架的生物化學和生物物理組成以及層次形態。結構蛋白提供的分子設計的靈活性,結合了生物打印固有的混合、沉積和機械加工的靈活性技術,使功能強大的支架和組織模擬物的制造具有一定程度的復雜性和組織性,這才剛剛開始被探索。這里描述了基于結構蛋白的生物墨水的打印參數和物理(機械)特性,包括打印支架的生物學功能。描述了應用打印技術和交聯方法,重點介紹了為改善支架性能而實施的修改。還報告了使用的細胞類型,細胞活力,和可能的構建體應用。研究團隊設想,將打印技術應用于結構蛋白,將實現對其超分子組織的空前控制,賦予打印支架生物特性和接近自然系統的功能。 作者對比了噴墨打印,機械點膠和激光打印,噴墨打印的優勢在于高速、成本低,缺點是只能用相對低濃度的細胞溶液防止堵塞噴頭(RUIDU 生物噴墨3D打印平臺 RD-3DB200 已優化這一不足)。機械點膠可以使用更高濃度的細胞溶液,但油墨沉積過程中剪切應力引起的變形對細胞活力的影響。激光打印允許打印高粘度材料和高細胞密度在非常好的分辨率下,卻受到高成本和缺乏打印大型結構的適用性。 作者同時也用不同材料打印出了不同效果,打印結果良好。作者提出大多數生物打印ECM蛋白的研究都集中在自然材料的模式傳遞上。然而,這種打印方法在打印時提供了額外的優勢作為超分子形成單位的結構蛋白。在微尺度上加工材料所施加的機械力可以影響材料的自組裝過程,形成具有特定力學性能的分層排列的上層結構。這種策略被自然系統用來處理具有獨特性能的材料。例如,在蠶或蜘蛛中,絲蛋白的折疊和組裝是在腺體通過一個狹窄的管道分泌時發生的,產生的材料的屬性取決于擠壓參數,如剪切力和環境條件,如pH值下降,離子交換,分泌過程中溫度的變化。此項打印方法可以使蛋白質結構擁有前所未有的復雜性和組織性。

    • ▲ 神經組織工程精密支架

      噴墨打印是一種有效的支架成型方法,該技術在神經組織工程精密支架的制備中具有很大的應用前景。周圍神經損傷占世界創傷損傷的2.8%,主要是擠壓、穿刺、牽引、電擊和振動損傷,這些傷害影響到全世界數以百萬計的人,導致人們的預期壽命縮短并增加社會和經濟負擔。雖然受傷的神經有再生的能力,但需要外部治療干預以確保適當的愈合,因此,用于引導神經細胞附著、排列和增殖的工程神經支架的研制受到了極大的關注。英國謝菲爾德大學化學與生物工程系招秀伯教授課題組,利用一種自組裝肽作為細胞吸引劑,并以再生絲素(RSF)作為排斥劑,利用Inkjet噴墨打印技術對神經元PC12細胞進行圖形化處理,來指導神經元細胞的生長。(Jetlab?4-xl, MicroFab)

    • ▲ 牙科屏障膜(再生絲素膜)

      目前市售的口腔外科屏障膜尚未達到完美的設計?,F有的材料要么是不可吸收的,需要二次手術來提取,要么是可吸收的,但結構完整性差或降解為酸性副產物。蠶絲有克服這些問題的潛力,但尚未制成市售的牙科屏障膜。反應噴墨打印 (RIJ,該研究使用JetLab4軟件在MicroFab按需噴墨式壓電噴墨打印機上進行噴墨打印) 已被證明是一種將再生絲素蛋白 (RSF) 形式的蠶絲組裝成不同結構的合適方法。在用作牙科屏障膜的再生絲素膜的反應噴墨打印的研究中,相關科研團隊確定了RIJ的RSF溶液的特性以及RIJ對構建RSF屏障膜的適用性。打印的RSF薄膜的特征在于它們的結晶度和表面特性,這些特性可以通過RIJ進行控制。在磷酸鹽緩沖鹽水或蛋白酶XIV溶液中降解的RSF膜具有與RSF結晶度相關的降解速率。包含納米羥基磷灰石(nHA)的RSF薄膜也被打印了。由于反應性噴墨打印可以控制RSF的結晶度,從而控制其降解率,并提供結合生物活性nHA夾雜物的能力,因此反應性噴墨打印被認為是RSF加工和牙科屏障膜生產的合適替代方法。(上圖為RSF薄膜的光學顯微鏡照片:(a)100%、(b)75%、(c)66%、(d)50%、(e)33%和(f)25%。每張膠片旁邊都有一張放大倍數更高的膠片照片。箭頭用于突出顯示更高放大率照片中的裂縫。)

    • ▲ 3D水凝膠微結構

      相關研究團隊使用微反應噴墨打印實現了獨立式3D水凝膠微結構。反應噴墨打印作為一種多材料制造工藝具有廣闊的前景,因為它具有定制化、小型化和精確控制用于圖案化的液滴的獨特優勢。對于水凝膠結構的噴墨打印,將水凝膠前體(或交聯劑)打印到交聯劑(或前體)浴或基材上。然而,使用噴墨打印技術對復雜水凝膠結構進行圖案化和設計的進展受到凝膠化和運動控制之間不穩定相互作用的限制。因此,通過使用海藻酸鹽作為模型系統,應用微反應噴墨打印(MRIJP)(配備有2個直徑60μm的MJ-ATP-01噴頭)來展示水凝膠微結構的自發3D打印。此外,用于MRIJP技術的毛細管數-韋伯數內的可打印窗口證明了速度對實現空中二元液滴碰撞的重要性。最后,系統分析表明,隨著時間的推移,水凝膠的結構和擴散系數是影響打印水凝膠形狀的重要因素?;趯λzMRIJP的這種基本理解,可以控制水凝膠的制造過程和結構,并適用于任何低粘度(<40cP)反應油墨的2D/3D微結構打印,具有代表性的組織模擬結構是在這項工作中提出的?200μm直徑的空心管。

    • ▲ 微血管

      使用噴墨打印機進行生物打印微血管。中間圖:共聚焦圖像顯示由含有熒光珠的膠囊形成的藻酸鹽管,顯示管是空心的。右圖:微血管的共焦z堆棧重建。β-連環蛋白(綠色)和 DAPI(藍色)。插圖顯示了微血管的橫截面。(MJ-AB-01–080, MicroFab)

    • ▲ 活性生物材料軟結構打印

      Yong Huang博士的團隊在佛羅里達大學蓋恩斯維爾分校和MicroFab Technologies之間的 NSF GOALI合作下所做的工作出現在增材制造的第31卷中。該研究題為“液體吸收系統輔助交叉噴射打印活性生物材料的軟結構”。這種用于生物3D打印的新方法避免了在沉積前預先混合反應成分。通過使用兩個相交的噴射打印,分別分配的活性材料,在空氣中相互碰撞和混合,然后降落在先前沉積的層上。使用海藻酸鈉和氯化鈣墨水的交叉噴射打印,成功打印了不同的3D結構,實現了2.5高徑比。這種打印技術在打印3T3細胞時不會影響打印后的細胞活力,展示了其在生物打印應用中的巨大潛力。

    • ▲ 分離亞穩態多晶型物

      噴墨打?。↗etlab? 4XL-A噴墨打印系統)用于將甘氨酸水溶液的皮升量級液滴沉積到玻璃或鋁基板上,發現體積限制對晶體生長的影響導致形成高度亞穩態的?形式。當液滴體積增加到0.1uL或更大時,會在咖啡環形成中看到α和?形式的混合物。當液滴體積增加到10uL時,在環的主體中形成針狀?晶體,在空氣-水界面的外邊緣形成雙錐體a晶體。?形式在環境條件下穩定至少6周。觀察結果表明,當限制在小體積時,甘氨酸會成核并保持穩定的?形式,因為在納米尺度上,?形式是熱力學穩定的。隨著液滴體積的增加和對晶體生長的限制減少,α形式在熱力學上變得穩定,因此發生相變,這可能是由溶劑介導的機制促進的。噴墨打印皮升液滴可能為分離亞穩態多晶型物提供新途徑。

    • ▲ SERS基底

      在生物傳感領域,噴墨打印代表一種低成本圖案化的制備工藝,該技術可用于制備SERS基底。意大利都靈理工大學Novara教授課題組曾利用Jetlab?4 xl壓電噴墨打印機,成功開發出高性能的表面增強拉曼基底,其對染料分子的檢測限可達皮摩級。利用位于顆粒之間的熱點區域獲得了巨大的拉曼增強效果(EARE>108)?。(上圖為多孔硅上的銀納米顆粒圖案。圖案化樣品的FESEM圖像。顯示了噴墨步長對條紋均勻性的影響:(1) 130 dpi、(2) 260 dpi、(3) 1,000 dpi 和 (4) 1,300 dpi。)

    • ▲ 神經導管打印

      通常來說,創傷性損傷往往會導致神經組織的丟失,臨床醫生只能從患者身體其他部位取得部分神經,以修復更嚴重的神經缺損。雖然自體神經移植成功率高達80%,但仍會對患者造成創傷。目前,組織工程師發現,采取人工方法(如,生物可吸收神經引導導管)促進神經再生可有效減少損傷。生物可吸收神經導管法將近端和遠端神經殘端在導管內縫合,優化創傷部位的生長條件,以促進神經再生。另外,由于導管在修復完成后被人體吸收,不需要手術移除。 噴印技術作為神經組織的修復再生提供了新思路,將噴墨技術應用于生物可吸收神經導管法可做到以下幾點: (1)管道內壁與外側均有涂層; (2)導管中裝入噴墨分液單元; (3)可將噴墨噴藥微球裝入導管; 為更好的使用噴墨技術進行導管打印,進行了相關調整,包括:1)將桌面版本的JetLab系統連接到無菌的組織培養罩上;2)運動臺和金屬固定裝置的尺寸進行了調整,以保證氣流在發動機罩內暢通無阻;3)在電子電路中引入熱電偶與溫度控制器反饋回路耦合,控制印刷基板的溫度;4)增加了一個旋轉軸,允許芯軸在打印過程中旋轉。 噴墨方法具有高精度的特性,使人們能夠創建和控制管道材料中的蛋白質量或梯度,以及管道表面紋理和物理尺寸。組織工程工作站的打印程序可以精確控制沉積的精確點,分辨率為0.2 mm。

    • ▲ 生物氣溶膠液滴(評估氣溶膠液滴群中細菌的空氣傳播存活率)

      感染的空氣傳播依賴于病原體在宿主之間傳播時在氣溶膠運輸中存活的能力。了解決定空氣傳播微生物存活的參數對于減輕疾病爆發的影響至關重要。用于體外研究生物氣溶膠壽命的傳統技術具有系統性限制,無法準確表示這些顆粒在自然環境中會遇到的條件。相關研究團隊報告了一種新方法,可以對生物氣溶膠存活率作為相關環境條件的函數進行穩健的研究。該方法使用按需液滴技術(MicroFab的MJ-ABP-01噴頭,孔口直徑30μm)來生成具有定制化學和生物成分的生物氣溶膠液滴(每次試驗1到100個以上)。這些液滴陣列被電動陷阱捕獲并懸浮在受控環境室內。然后在所需的懸浮時間(小于5秒到大于24小時)后將液滴沉積在基板上。隨后可以通過在沉積后24小時計算菌落形成單位來確定細菌對霧化的反應。在第一項研究中,由初始半徑為27.8±0.08μm 的大腸桿菌MRE162細胞 (108ml-1) 懸浮液形成的液滴在30%的相對濕度下產生并長時間懸浮。在延長至1小時的時間段內測量存活率的時間依賴性。研究人員證明這種方法可以直接研究空氣生物學、大氣化學和氣溶膠物理學之間的界面,以確定可能影響空氣傳播病原體存活的因素,目的是為公共衛生和生物防御應用制定感染控制策略。 上圖(a)是CELEBS(受控電動懸浮和提取生物氣溶膠到基質)裝置主要組件的展開圖。(b)是CELEBS操作示意圖。(c,d)是相同生物氣溶膠群體懸浮和初始沉積的連續特寫圖像。與由施加到環形電極的交流波形驅動的液滴的振蕩運動相比,由于相機的快門速度較慢,懸浮液滴顯示為線條。

    • ▲ 生物氣溶膠液滴(評估控制病原體空氣傳播壽命的潛在機制)

      了解影響氣溶膠中SARS-CoV-2等病毒在空氣中存活的因素對于確定傳播途徑以及各種緩解策略對預防傳播的價值非常重要。布里斯托大學相關研究團隊使用一種新型儀器在5秒到20分鐘的時間范圍內測量SARS-CoV-2在氣溶膠液滴(約5-10μm平衡半徑)中的穩定性,以探測少量液滴(通常為5-10)含有~1個病毒/飛沫??諝鈧魅拘宰兓臏y量與含有病毒的空氣飛沫的詳細物理化學分析相結合。在20分鐘內觀察到SARS-CoV-2的傳染性降低至起始值的10%,其中大部分損失發生在霧化后的前5分鐘內。發現最初的傳染性損失率與平衡液滴的物理轉變有關;液滴中的鹽在RH低于50%時結晶,導致50-60%的病毒幾乎立即喪失傳染性。然而,在90% RH下,液滴保持均勻和水性,并且病毒穩定性在前2分鐘內保持不變,在此之后,它會在10分鐘后衰減至僅10%保持傳染性。在高RH下傳染性的喪失與液滴的pH值升高一致,這是由液滴內的碳酸氫鹽緩沖液中的CO2揮發引起的。比較了SARS-CoV-2的三種不同變體,發現在高相對濕度和低相對濕度下都具有相似程度的空氣傳播穩定性。 (上圖為實驗方法。(A) 當空氣中的水滴與周圍的相對濕度平衡時發生的物理變化示意圖。在左側(藍色框),顆粒是水性均勻球體。當顆粒平衡到低于飽和的RH時,低溶解度的溶質會沉淀出液滴內的夾雜物(黃色框)。在足夠低的RH下,主要溶質 (NaCl) 會結晶,導致顆粒風化(黑框)。(B) CELEBS技術示意圖。含有病毒的顆粒在受控條件下懸浮,然后沉積到培養基中,然后將其鋪板到細胞培養物上。通過枚舉該沉積物的細胞病變效應,可以量化存在的病毒量。(C) CK-EDB技術示意圖。由CELEBS中使用的相同液滴分配器(MicroFab 皮升級微液滴發生系統)產生的粒子在激光路徑中的受控條件下懸浮。通過分析該粒子散射的光來研究該粒子中發生的物理變化。)

    • ▲ 生物氣體傳感器(阿爾茨海默氏病早期診斷)

      依據2000年的美國人口調查報告顯示,全美范圍內約有450萬人患有阿爾茨海默癥,85歲以上的老年人群體中約有一半人患有阿爾茨海默癥,而且,預計2050年患病人口數將進一步攀升至1320萬人,每年阿爾茨海默癥患者的直接和間接治療費用高達1000億美元,對社會和家庭造成嚴重的影響。阿爾茨海默癥的早診斷早干預,可有效延遲疾病的發病,降低治療費用,提升患者滿意度。在對患者的研究中發現,患病初期對氣體的識別能力顯著下降,且嗅覺信息的處理與海馬體體積之間具有很強的相關性,因此可采用生物體的氣體測試有效檢測阿爾茨海默癥的發病。氣體識別測試(UPSIT)是最常見的刮嗅測試,但是其不能量化嗅覺闕值,且不同濃度溶液的制備較為繁瑣,無法用于疾病的準確預測。 嗅覺測量技術是基于數字控制的高精度噴墨點膠技術,可精準確定人的嗅覺閾值。由于特定氣味的閾值被確定為非常高的分辨率,且噴墨微分機能夠提供納摩爾數量的氣味每一滴,因此該系統可通過可互換的墨盒來散發多種氣味。通過使用試驗中使用的氣味劑的稀釋劑,該分辨率可以延長到單滴分配。 MicroFab嗅覺檢測由壓電驅動的微分配裝置組成,將少量氣味源分配到加熱元件上,揮發油通過非常低的氣流傳遞給測試者。嗅覺計帶有一個配備微處理器的控制框、液晶顯示屏和操作按鈕,具備下載測試數據的能力。檢測時,將控制器預先編程,以對數遞增的步進下降計數,并確保測試者在試驗之間有足夠的恢復時間。 實驗選用了一種玫瑰氣味劑(苯乙醇),因為它能選擇性地刺激嗅覺腦神經而不影響鼻內三叉神經末梢。另選用檸檬氣味劑(檸檬提取物)進行實驗,因為它會刺激三叉神經。第一次試驗中,小劑量的氣體(12.06 nl)傳送至測試者的輸入氣流中。在隨后的試驗中,對數衰減的氣味量(09nl~102.5nl)被釋放在等量的空氣中,并且由測試者報告是否聞到另一種氣味。 實驗發現,MicroFab的嗅覺檢測針對玫瑰氣味劑(苯乙醇)和檸檬氣味劑(檸檬提取物)兩種氣味,檢測靈敏度高,且發現阿爾茨海默癥患者的嗅覺閾值(89.02nl和74.34nl)明顯高于帕金森氏癥患者(23.08nl和74.34nl)。

    • ▲ 兩個正交噴射染料梯度 - 隨數量變化

      通過改變每個位置沉積的流體量獲得的正交梯度。每個點的流體體積沿箭頭方向增加。(MicroFab)

    • ▲ 液滴直接寫入可交聯的流體中

      在“直寫微孔聚合物結構——打印、捕獲和釋放”的研究中,英國劍橋大學相關研究團隊展示了一種突破性的流體對流體模板方法,該方法能夠快速制造功能性、結構化的聚合物薄膜,使這些應用變得可行和可擴展。在主體內或彈性體基質表面上擠出流體已被開創性地以顯示以宏觀模式捕獲和控制功能材料的能力。受BF方法的啟發,研究團隊利用按需噴墨 (DoD) 噴墨打印的高度可控、可調節、直接寫入優勢,將微米級液滴可控地打印到流體表面,如圖所示。表明,與最初的BF方法相比,該工藝提供了更高的穩定性、更好的聚結控制、對液滴堆積的新控制以及將結構壓印到無溶劑生物相容性交聯聚合物材料中的能力。功能材料打?。ㄈ鐖D (b) 所示)意味著可以顯著改善圖案化并擴大功能材料傳遞到聚合物薄膜、捕獲和釋放聚合物薄膜的范圍(圖 (c)),并且可以很好地控制孔體積或結構(圖(d)和(e))適用于廣泛的應用。

    • ▲ 經皮給藥貼劑微針

      藥物遞送應用已經出現在通過透皮貼劑遞送活性成分方面,該貼劑可以維持藥物的長時間釋放以達到最佳血液濃度。通過皮膚的藥物輸送受到皮膚外層的強屏障特性的限制,因此貼片配置配備了微針。這些微針已被采用以微創和無痛的方式將藥物輸送到屏障層。不同的綜述微針配置表明它們可以具有圓柱形、圓錐形和金字塔形,并且可以是中空的,形成可以裝載藥物的口袋。外部尺寸范圍為0.2至0.5mm,內部尺寸范圍為0.1至0.26mm?;钚猿煞郑ㄋ幬?、DNA、蛋白質或任何其他生物活性分子)可以涂在微針的外表面上或沉積在微針中微針的中空區域,可以作為藥袋/儲液器。儲存器方法更有吸引力,因為它可以防止藥物在插入皮膚過程中被擦掉。將藥物加載到微針上僅限于浸涂。只要所有的針頭都涂有相同的溶液,這個程序是可以接受的。也可以通過浸涂填充針的中空部分,但會產生不均勻的負載。由于微針的尺寸、形狀和分布,使用噴墨填充也非常適合該應用。除了每個針的活性元素的準確劑量外,噴墨的另一個好處(通過單獨的靶向)是每個微針可以定制填充不同數量甚至不同的藥物。上圖描繪了通過噴墨(MicroFab的Jetlab?Ⅱ噴墨打印系統)填充含有熒光染料的聚合物溶液的錐形孔的圖片。這些孔是圓錐形的,頂部直徑為90μm,底部直徑為30μm。沉積的溶液量從上到下增加,熒光染料溶液分配在奇數行(第1行14滴,第3行12滴,第5行8滴)。因此底行中染料的強度更高。

    • ▲ 免疫抗體打印

      ?20世紀80年代初,蛋白質的噴墨打印技術已得到發展。在最新的研究中,抗體被印在膜上,抗體與硝化纖維相結合用于診斷分析。如圖所示,雅培公司的妊娠指示器TestPack?使用MicroFab技術公司開發的兩種液體連續噴繪系統進行打印操作,使用硝化纖維素打印出兩種抗體(通常為?HCg和一種對照)。Abbott TestPack?也可用于鏈球菌和藥物濫用測試。

    • ▲ 用于多色表面等離子共振成像的蛋白質微陣列

      相關研究團隊報告了一種利用表面等離子體共振色散作為一種機制來為薄膜分子薄膜成像提供多色對比度的技術。由于表面等離子激元的激發和對源光特定波長的吸收,在Kretschmann配置中用p偏振白光照射金表面會產生不同的反射顏色。此外,這些顏色會隨著分子薄膜的形成而變化。該過程代表了一種簡單的檢測方法,用于區分傳感器應用中不同厚度的薄膜。例如,該研究團隊研究了由商用按需化學噴墨打印機(Jetlab?Ⅱ高精度噴墨打印系統)形成的蛋白質微陣列。用這種方法很容易檢測到測試蛋白質(牛血清白蛋白)的亞單層膜。色散關系和吸光度靈敏度的分析說明了該系統的性能和特點。在紅色波長與表面等離子體耦合的角度處實現了更高的檢測靈敏度。然而,當入射角使得較短的波長與表面等離子體耦合時,對比度和空間分辨率就會得到改善。簡化的光學器件與強大的微陣列打印平臺相結合,用于證明該技術作為一種快速、多功能、高通量工具的適用性,可用于吸附薄膜和大分子的無標記檢測。

    • ▲ 用于MALDI MS的樣品制備

      從2D PAGE凝膠轉移的PVDF膜上的柯馬西藍染色蛋白質。左邊的插圖顯示了已經用胰蛋白酶的噴墨(MicroFab)微沉積處理的點(直徑200-300μm),以獲得對感興趣的蛋白質點的微量消化。然后在微尺度消化完成后,將基質材料噴墨微沉積到點上。然后將蛋白質印跡轉移到 MALDI-TOF質譜儀中,在肽質量指紋識別過程中進行分析,以進行蛋白質鑒定。也可以以類似的方式對感興趣的蛋白質點進行多重內蛋白酶消化。使用第二種蛋白酶不僅獨立地確認了蛋白質身份,而且組合的肽質量指紋增加了序列覆蓋率。

    • ▲ 生物相容性酶驅動蠶絲微型火箭

      噴墨打?。∕icroFab)的酶驅動絲基微型火箭能夠在各種流體環境中進行自主運動,包括人血清等復雜介質。通過數字噴墨打印,可以簡單地改變催化劑分布并產生這些微型火箭的不同軌跡行為。這些微型火箭由含有酶的絲質支架制成,具有高度的生物相容性和非生物污染性。

    • ▲ 金屬納米粒子打印

      金屬納米粒子的熱等離子體效應產生的局部熱量在生物醫學工程研究中具有巨大的潛力。使用噴墨打印對納米顆粒進行精確圖案化可以以良好控制的方式(形狀和強度)應用熱等離子體效應。然而,缺少普遍適用的噴墨打印工藝,該工藝可以很好地控制具有良好生物相容性的納米顆粒的圖案化和組裝。在“用于圖案化神經調節的噴墨打印生物功能熱等離子體接口 ”的研究中,相關研究團隊開發了一種基于噴墨打?。∕icroFab, MJ-AT 01)的生物功能熱等離子體界面,可以調節生物活動。他們發現,通過誘導接觸線釘扎和靜電輔助納米粒子組裝,在聚電解質逐層基板涂層上噴墨打印等離子體納米粒子能夠在各種基板(剛性/柔性、疏水/親水)上實現高質量的生物相容性熱等離子體界面。研究人員通過實驗證實,噴墨打印的熱等離子體圖案產生的熱量可以在大面積上以微米分辨率應用。最后,研究團隊證明了噴墨打印的金納米棒的圖案化熱等離子體效應可以選擇性地調節神經元網絡活動。因此,這種噴墨打印工藝可以成為各種生物工程應用中生物功能熱等離子體界面的通用方法。

    • ▲ 用于組裝PEN生物傳感器的噴墨打印通孔

      為了在PEN基板上的金焊盤和PCB基板上的金焊盤之間建立連接,開發了兩種獨立的技術。第一項技術涉及使用噴墨打印導電油墨來定義通孔。第二種技術使用引線鍵合。上圖描繪了PEN MEA的噴墨打印封裝工藝示意圖(噴墨打印工藝流程:(a)將PEN生物傳感器“芯片”連接到 PCB;(b)PEN的紫外激光微加工以形成通孔;(c)通孔的噴墨打印。制造結構(d)的光學和SEM顯微照片描繪了在頂部之前和在底部噴墨打印之后的通孔。)。第一步是定義PEN基板中的過孔。通孔定義是利用紫外激光微加工完成的。在此特定步驟中使用了工作在248nm的準分子激光器。它是這種工藝的絕佳工具,因為它可以用來選擇性地燒蝕在厚金屬上停止的PEN。在該過程中使用了頻率為90Hz的200mJ激光脈沖。此外,使用1000個50%透射率的脈沖來燒蝕PEN材料。一旦通路被燒蝕,研究團隊就使用了MicroFab的Jetlab?II噴墨打印系統,它是一種桌面噴墨微點膠裝置,非常適合非接觸式打印多種材料,包括導電環氧樹脂。 UTDAg導電銀納米墨水用于此打印過程。研究團隊以600Hz的頻率打印50個點/通孔的UTDAg納米墨水,以通過PEN基板的厚度(約125μm厚)實現導電性。上圖d描繪了打印路徑的光學和SEM顯微照片。使用此配方,研究團隊能夠為在此過程中開發的每個設備實現約85%的互連電導率。

    • ▲ 藥物釋放系統微型藥筒

      維克森林再生醫學研究所相關研究團隊開發了一種基于像素的藥物釋放系統,該系統由幾個微型藥筒組成,能夠釋放準確的劑量并將藥物保持在治療窗口內。為了實現考慮靶向劑量的個性化藥物的目標,可以使用單個或多個微型藥筒來釋放藥物。此外,具有單個像素的延時釋放級聯可以將藥物保持在治療窗口內,同時延長其活性持續時間。為了獲得高質量、劑量控制和精確給藥,需要準確預測每個微型藥筒釋放的藥物量。因此,可以優化特定時間內的總釋放量和所涉及的微型藥盒的數量。研究團隊建立了一個模型,將他們的電壓觸發藥物釋放系統類比為電容器,并以數學方式確定每個微型藥筒的釋放量。該模型預測該過程可以使用指數函數進行擬合。指數擬合的特征時間用于推導每種藥物要校準的預測公式。該團隊已經表明,校準后,可以預測每個微型藥筒的不同藥物和各種初始負載的釋放;因此,可以根據每個患者的需要實現劑量釋放。(上圖為使用MicroFab的Jetlab噴墨打印系統噴墨打印的微型藥筒,包括電活性層和藥物,位于透明導電表面上,用于創建基于像素的藥物釋放系統)

    • ▲ 心臟支架藥物精準噴涂

      心血管手術中,為避免動脈再狹窄,通常使用由金屬或合金制成的支架送入體腔,擴張后與管腔壁貼合,起到支撐血管的作用。通常,為預防并發癥的產生,需要對支架進行藥物涂層處理。常見方法有浸泡、超聲波噴涂、氣體噴涂等,然而,藥物的濃度、分布等無法得到有效控制。 基于Inkjet的支架噴涂技術,具有射流中液滴的可控和可再生優勢,同時可將射流精確地引導到設備表面的位置,且具有以下優勢:(1)可進行多層藥物和溶液的涂層,每一層可使用不同的藥物和溶液;(2)支架不同位置的局部密度和厚度可控;(3)藥物沉積僅在支架表面,避免支架斷裂進入血液中;(4)噴墨技術由軟件數據控制,可針對不同的支架模型進行多次轉換。 MicroFab已成功制備了與實際支架尺寸相匹配的模型支架,這些帶有菱形細胞的模擬支架可用于打印/涂層試驗??梢酝ㄟ^在噴墨顯微分配器下協調移動支架來覆蓋模擬支架,并通過連續移動支架(旋轉和軸向移動),根據所需的點對點間距產生液滴,“即時”打印完成。在噴涂過程中,支架作旋轉和軸向運動,非常微小的藥物液滴按設定的要求由噴頭射至支架表面而形成涂層。 研究表明,將100ug藥物(一個小支架的典型劑量)程序化靶遞送到試管中,給劑量的標準偏差(SD)為0.6ug。在137ug劑量下,在1.8ug SD的涂層上噴射,支架管顯示了100%的捕獲效率。而且研究發現,連續噴射制備的支架可產生高達91%的效率,變異系數低至2%,相比于傳統的噴霧效果提高了10倍以上。

    • ▲ 冠脈支架藥物精準噴涂

      采用MicroFab Inkjet噴墨打印裝置和方法,使用非諾貝特、專有聚合物和藥物包覆心血管支架,在按需滴式噴射模式下進行打印,即流體保持在環境壓力下,使用壓電換能器進行液滴發生。噴墨打印完成后,采用紫外分光光度法測定支架的載藥效率、藥物噴射后的質量和釋放動力學,并采用高效液相色譜法進行驗證。結果表明,支架管顯示100%的捕獲效率,支架在137mmol/l劑量時效率可達到91%,與傳統的噴霧霧化相比,效率提高了十倍多。因此,MicroFab噴墨打印裝置和方法可有效提高載藥效率,有望成為許多昂貴藥物噴涂的方法。

    • ▲ 心血管支架藥物超聲噴涂

      采用Ultra-sonic超聲霧化噴涂技術。RUIDU 超聲霧化噴涂系統在冠脈支架上噴涂藥物。

    • ▲ 球囊導管藥物噴涂

      采用Ultra-sonic超聲霧化噴涂技術。RUIDU 超聲霧化噴涂系統噴涂藥物球囊。

    • ▲ 球囊導管藥物噴涂

      采用Ultra-sonic超聲霧化噴涂技術。RUIDU 超聲霧化噴涂系統噴涂導管。

    • ▲ 血管網絡

      MicroFab噴墨方法具有高精度,因此可有效控制管道材料中的蛋白質量和梯度,以及管道表面紋理和物理尺寸。目前,MicroFab已初步應用于外周神經的再生、心血管、食道等組織結構的構建。如圖所示,模擬血管網的三維聚合物結構(120μm寬的分支)。

    • ▲ 可生物降解骨科植入物

      噴墨打印Fe–30Mn可生物降解支架,孔隙率為36.3%。

    • ▲ 光纖傳感器微透鏡陣列

      光纖傳感器可用于傳統傳感器不能使用的情況下執行難度較高的一些測量應用。這種傳感器通常結構緊湊、質量輕、耐腐蝕,并且可以多路復用。它們不受電磁干擾,能在惡劣環境中應用。由于各種分析物的測量需要促進了光學傳感器陣列的發展,并可用于樣品的完整化學色譜的測量。例如,多個感測化學物可以連接到光纖傳感器的光纖末端,并且不同的感測化學物可以通過空間或光譜分辨率來識別。(圖a為勞倫斯國家實驗室制造的顯微光度計原型,其中使用了MicroFab Technologies打印的傳感元件;圖b為在光纖尖端打印熒光染料制備出的顯微光度計的示意圖) 利用噴墨技術在可接觸的光學表面打印一種或多種標記化學試劑。其中一個常見的例子就是光纖的尖端。該方法提供了一種通過使用多種MJ噴頭分配幾何形狀來精確打印不同材料的圖案。每種化學試劑可包含一個或多個光能吸收染料,其光學特性隨目標分析物的變化而變化。 通過熒光光譜可以監測每個傳感器的特性,并且能對目標分析物進行靈敏度檢測和定量分析。通過光學成像方法對這些分析物進行同步檢測和測量,并在空間上記錄每個打印出的微點陣。(圖c為噴墨打印在光纖束末端的生物傳感器透鏡)

    • ▲ 微透鏡陣列

      上世紀九十年代,光電子學和微電子學相互滲透形成微光學(Micro-Optics),微光學元件中,微透鏡陣列尤為重要,它在照明、成像、光通信等方面發揮重要作用。微透鏡陣列是由直徑在10μm到1mm之間的微透鏡按照一定的排列組合而形成的陣列,其透鏡尺寸小,可用于光信息處理、光計算、光互連、光數據傳輸、生成二維點光源,也可用于復印機、圖像掃描儀、傳真機、照相機,以及醫療衛生器械中。此外,微透鏡陣列器件也實現了微型化和集成化,使得其具有很強的適應性,可廣泛用于通信、顯示和成像器件當中。用于半導體激光器的橢圓形折射微透鏡陣列,能夠實現激光器的聚焦與準直,激光二極管(LD)的光束整形,?它還可用于光纖、光學集成回路之間,實現光器件的有效耦合。在光纖通信中,橢圓形微透鏡將來自自由空間的光耦合進光纖,并校準從光纖出來的光。目前微透鏡陣列己經在原子光學領域有所應用,利用微透鏡陣列做成原子波導、分束器、馬赫一曾德爾干涉儀或利用其捕獲原子或者對中性原子進行量子信息處理。因此對于微透鏡陣列使用材料,制作工藝和用途方面的研究十分必要。 MicroFab使用噴墨打印方法,用于數據驅動的微光學元件的制造,如折射透鏡陣列,將多模波導和微透鏡/傳感器沉積在光纖/光纖束的尖端。用于微光學MJ點膠裝置打印的材料包括光學粘合劑,uv固化聚合物和指數調整熱塑性塑料配方。MicroFab研發的高溫打印頭用于在220 ℃以下的溫度下分發光學材料,目前該發明已取得相關發明專利。通過改變工藝參數,已制造出不同尺寸的球形和圓柱形平面凸透鏡陣列,尺寸范圍從80μm到1mm、精度僅為幾微米。 通過熒光光譜可以監測每個傳感器的特性,并且能對目標分析物進行靈敏度檢測和定量分析。通過光學成像方法對這些分析物進行同步檢測和測量,并在空間上記錄每個打印出的微點陣。

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