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集成3D微结构的数字微流控平台，开启先进3D细胞培养新范式

微流控科技

2025-12-04

导读：本研究提出了一种基于数字微流控系统的3D细胞培养平台，利用微纳米3D打印技术，在铬电极基底上通过一步法制备出介电层-围栏阵列3D微结构，能够实现精确的液滴操控。

3D微纳结构功能器件在MEMS、生物医学工程、组织工程、新能源电池、微流控器件和柔性电子学等领域具有重要应用。特别值得关注的是，3D微纳结构被广泛用于复制组织和器官的复杂结构，例如3D细胞培养支架。3D微结构支架为微组织细胞提供了支撑框架，在细胞分化和增殖中起着关键作用。多层3D细胞结构的组装依赖支架来维持空间组织。理想的微结构支架能够支持细胞在3D结构内的空间分布，提供机械稳定性，并促进高效的营养交换和代谢废物清除。因此，开发能够紧密模拟体内细胞微环境的3D微结构细胞培养支架越来越受到研究关注。

微流控系统在细胞培养方面具有显著优势，包括精确控制、低试剂消耗、仿生环境和自动化等，使其成为传统方法的一种很有前景的替代方案。微尺度下的微量流体体积和独特物理特性能够实现空间控制和梯度形成，有助于构建3D仿生微环境，模拟关键的生理参数。与传统细胞培养方法不同，基于微流控的细胞培养可提供持续的营养供应、高效的废物清除、自动化液体处理和高通量能力。因此，微流控芯片正越来越多地被用作先进细胞培养应用的多功能平台。

与基于通道的微流控技术不同，数字微流控（DMF）技术利用电力来操纵单个液滴，能够精确、灵活地控制细胞微环境。通过调节液滴运动，数字微流控技术可以微调细胞生长条件，包括营养浓度、温度和化学梯度。尽管具有诸多优势，数字微流控技术仍面临一个关键限制：缺乏芯片上的3D结构，这限制了其在3D细胞培养中的应用。解决这一挑战需要将数字微流控技术与3D微结构支架相结合，以创建更具生理相关性的细胞微环境。

近年来，研究人员致力于将增材制造与数字微流控技术相结合，以实现3D功能。不过，现有研究大多集中在宏观流体通道的制造上，或者需要多步骤的加工方法。为了克服传统制造方法在结构复杂性和制造效率方面的局限性，迫切需要开发一种能够一步制造功能性3D微结构的新策略，从而实现3D细胞培养支架与液滴驱动的无缝整合。

据麦姆斯咨询介绍，澳门大学和加州大学的研究团队提出了一种用于3D细胞球体培养的数字微流控系统，该系统整合了微纳3D打印技术，可在芯片上制造3D微结构阵列。相关研究成果已经以“Integrated 3D microstructured digital microfluidic platform for advanced 3D cell culture”为题发表于近期的Microsystems & Nanoengineering期刊。

用于3D细胞培养的3D打印数字微流控系统

现有数字微流控系统在集成3D微结构时，通常需要多掩模光刻和顺序组装，与之不同的是，该研究所提出的方法能够在电极基底上直接一步制造出统一的介电层-围栏-微结构支架。这不仅省去了对洁净室设施和复杂对准操作的需求，还能定制有利于细胞球体形成的3D微环境。因此，该平台相较于当前基于数字微流控的3D培养系统，实现了显著的简化和改进。

3D打印数字微流控芯片的制备

所制造的介电层厚度为15μm，而围栏结构的尺寸为10 μm x 10 μm x 20 μm。由两层支架形成的细胞培养室尺寸为80 μm x 80 μm x 100 μm，支架横截面为20 μm x 20 μm。相邻的培养室相互连接，能够实现细胞培养液、氧气、营养物质和其他必需物质的交换。

研究团队在带有铬电极的基底上，通过一步制造工艺开发出了包含介电层、围栏、微结构的集成3D微结构。与传统的立体光刻技术相比，该方法消除了多步操作、高成本和低制造公差带来的复杂性。为了便于系统控制，研究团队设计了一个电子控制系统，集成了现场可编程门阵列（FPGA）和印刷电路板（PCB），用于数据传输、信号生成和单个电极充电。

基于电润湿原理的芯片上液滴控制

数字微流控技术基于介质上电润湿（EWOD）工作原理。当施加电场时，由于绝缘基底之间的电压变化，液滴的润湿性会发生改变，从而改变其接触角。芯片上液滴的接触角大小会影响液滴的变形和运动。实验结果表明，本研究中使用的3D打印材料具有亲水性，而制造出的微结构则表现出疏水性。测得的接触角与聚四氟乙烯涂层玻璃的接触角相当。为了增强疏水性，对3D打印表面进行了聚四氟乙烯涂层处理。这种处理显著提高了接触角，平面结构的接触角达到119.8°，3D微结构的接触角达到131.5°，接近超疏水特性。