芯片上的實驗室-微流控芯片技術(shù)(Microfluidics)是把生物、化學、醫(yī)學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上， 自動完成分析全過程。由于它在生物、化學、醫(yī)學等領域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個生物、化學、醫(yī)學、流體、電子、材料、機械等學科交叉的嶄新研究領域。

人體器官芯片(organs-on-a-chip)是近幾年發(fā)展起來的一種新興前沿交叉學科技術(shù)，它以前所δ有的方式見證機體的多種生物學行為，在新藥發(fā)現(xiàn)、疾病機制和毒性預測等領域具有重要應用前景。

據(jù)報道，來自美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人員3D打印出一款全液體裝置，只需點擊一下按鈕，就可以根據(jù)需求反復重新配置以滿足從電池材料制作到藥物篩選的廣泛應用需求。

主導這項研究的伯克利實驗室材料科學和分子工廠科學家Brett Helms表示，“我們所展示的這款裝置是值得稱道的。我們的3D打印裝置可以根據(jù)需要進行編程，以執(zhí)行多步驟、復雜的化學反應。更令人驚喜的是，這個多功能平臺可以重新配置，以高效精準地組合分子，并形成非常特殊的產(chǎn)品，如有機電池材料?！?/p>

這項發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)雜志上的研究成果，是伯克利實驗室用3D打印機制作全液體材料的一系列實驗中的最新成果。

去年，Helms與來自馬薩諸塞大學阿默斯特分校(University of Massachusetts at Amherst)的訪問研究員Thomas Russell合著了一項研究成果，領導伯克利實驗室材料科學部的自適應界面組件轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)化液體項目，開創(chuàng)了在另一種液體中打印各種液體結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，從液滴到液體旋流線。

Helms指出，“在成功演示后，我們一群人聚在一起集思廣益，討論如何利用液體印刷技術(shù)制造功能裝置。然后我們突然想到，如果我們可以在界定通道內(nèi)打印流體，流動內(nèi)容流經(jīng)通道而不會遭到破壞，我們就可以制作出適合多種應用的流體裝置，從新型小型化學實驗室到電池和電子設備?！?/p>

為了制作這種3D可印刷流體裝置，伯克利實驗室材料科學部門的博士后研究員兼論文主要作者Wenqian Feng設計了一款特殊圖案的玻璃基板。當兩種液體，一種含有納米級粘土顆粒，另一種含有聚合物顆粒，被印刷到基板上時，他們在兩種液體的交界處聚集，并在幾毫秒內(nèi)形成直徑約為1毫米的非常薄的通道或管道。

一旦形成通道，催化劑可以放置在裝置的不同通道內(nèi)。然后，用戶可以在通道之間3D打印橋接，將通道連接起來使得流經(jīng)它們的化學品以特定順序接觸催化劑，引發(fā)一系列化學反應以產(chǎn)生特定的化合物。當由計算機控制時，這個復雜的過程可以自動“執(zhí)行與催化劑放置相關(guān)的任務，在裝置內(nèi)構(gòu)建液體介質(zhì)橋接，并運行制造分子所需的反應序列?！盧ussell補充道。

這款多任務裝置還可以被編程為像人工循環(huán)系統(tǒng)般運作，分離流經(jīng)通道的分子并自動去除不需要的副產(chǎn)品，同時繼續(xù)打印特定催化物橋接序列并執(zhí)行化學合成步驟。

Helms解釋道，“這些裝置的形式和功能僅受限于研究人員的想象力，自主合成是化學和材料界的一個新興領域，我們用于全液體流動化學的3D打印裝置可以在該領域發(fā)揮重要作用?！?/p>

Russell也補充說道，“伯克利實驗室中材料科學和化學專業(yè)知識的結(jié)合，以及來自世界各地的研究人員可以共享世界一流的設施，包括實驗室所聚集的年輕人才都是獨一無二的。在其他地方我們不一定能開發(fā)出這一技術(shù)。”

研究人員接下來計劃使用導電納米粒子對該裝置的內(nèi)壁進行通電，以擴展可以探索的反應類型。Helms表示，“憑借我們的技術(shù)，我們認為還有可能創(chuàng)建全液體電·、燃料電池甚至蓄電池。對我們的團隊而言，以一種用戶友好且用戶可編程的方式將流體和流動化學結(jié)合起來真的非常令人振奮?！?/p>