材料沉积喷墨打印及
涂层系统解决方案

我们的应用

基于Inkjet、EHD、Ultra-sonic等技术积累,搭建材料喷墨打印与涂层研究与 应用平台,从科研到产业为您提供解决方案。

<p>组织工程,药物微球,油包水,生物化学传感器,生物芯片,单细胞,微阵列原位合成(肽合成等),微阵列(点样),血管支架,球囊导管等。</p>

生物医疗

组织工程,药物微球,油包水,生物化学传感器,生物芯片,单细胞,微阵列原位合成(肽合成等),微阵列(点样),血管支架,球囊导管等。

典型案例

  • ▲ 单细胞打印

    细胞,作为生物结构和功能的基本单位,研究其相关生物行为及其规律与本质,对于探索疾病的机理与治疗手段,有着巨大的意义。对细胞的研究是一个复杂的工程,细胞在人体内处于复杂的微环境之中,且细胞体积微小、种类多样,在细胞水平进行细胞识别、代谢物检测、内部组分分析、细胞结构与功能表征、细胞间相互作用分析等工作也都有着很高的难度。因为样品量小,分析物浓度低,样品体系复杂,细胞水平分析对于传统的研究和分析方法与技术是一个巨大的挑战。 在非均匀电场中采取介电泳(DEP)的方法,可有效进行单细胞的无接触处理。微波通过在覆有三层金属层的柔性印刷电路板上钻孔形成,因此每个微波形成了三个环形电极。聚苯乙烯珠和电池的实施装置,包括一组微波管和一个流体装置,用于从底部向微波管中填充生理盐水缓冲液,并从顶部将颗粒分配到微波管中。有源微波有望替代单流腔或通道芯片,其主要优点是可在不同的位置分离细胞,支持灵活的上清替代,简化单细胞回收程序,保证与标准高密度微量滴度板的机械相容性,但是依然存在高通量的痛点待解决。 在这项技术中,采用MicroFab的Jet Drive III和anMJ-A可将聚苯乙烯珠和细胞进行均匀分配,喷射出的液滴体积为0.5 nl。实验中,稀释参数为105个细胞/ml,分析每滴细胞的统计分布得知,当每微孔滴10个细胞时,平均期望有0.5个细胞,可以有效获得单个细胞。

  • ▲ 细胞打印

    使用MicroFab Inkjet技术喷墨打印的大鼠视网膜细胞,这些细胞不仅存活下来,而且还保留了生长发育的能力。(剑桥大学,2013)

  • ▲ 细胞打印

    研究人员采用MicroFab的30μm、50μm和80μm喷头搭建了微液滴发生装置,进行了对喷射的哺乳动物细胞液滴的观测和研究。喷墨打印后的细胞存活率与未打印的对照组一致。作为对照,移液到孔中的细胞的存活率为96.2%,从30μm和80μm喷头喷射的细胞的存活率分别为94.4%和96.3%。之后进行CCK-8测定,以研究在达到平台期之前的7天小喷头直径是否影响细胞的体外增殖。最后,进行细胞形态学检查以进行定性分析。如上图c所示,未观察到明显的形态异常和DNA断裂;此外,这些打印的细胞仍然保持良好的对基材的粘附能力。这些结果表明,30μm喷墨喷头对打印的哺乳动物细胞的影响和损害可以忽略不计。

  • ▲ 烧伤组织修复再生

    组织修复与再生仍是医学界长期存在的重要挑战,常见的急性、慢性和先天性损伤均需要植入性的组织或器官进行治疗,以提高患者的生存率和生活质量。然而,由于移植器官的等待周期过长、重建手术的组织需求量过大等因素,均严重阻碍治疗进程。虽然患者是唯一的自体材料来源,但是患者的自身材料有限,因此,人工方法进行组织的构建受到越来越多的关注。体外的三维环境下,进行生物可吸收的聚合物创建,也对现阶段的构建工艺提出更高的要求。 基于Micro Fab的喷墨打印技术,具有高集成性和非接触等显著优势,有望成为新一代组织修复新技术。Micro Fab技术公司和Wake Forest 再生医学研究所研发了一种皮肤工程3D生物芯片,可进行三维条件下皮肤的修复研究,用于治疗由于热损伤、机械损伤、疾病、癌症和遗传疾病而造成的皮肤创伤。真皮修复结构打印机(DRCP)可精准控制细胞、基质和生长因子的体积和比例,构建功能细胞、生长因子、非细胞基质的三维空间,通过非接触式的按需喷墨生物印刷技术,将皮肤组织再生的所需时间从传统的14-21天减少至5-7天。 如图所示,DRCP置于HEPA 100级正压层流箱中,配有3D生物芯片和紫外线杀菌灯。打印头安装在龙门架上,包含两个valvejet分配器和四个喷墨机。化学反应性和紫外光反应性水凝胶的交联可通过动态交联喷雾器或光纤紫外光来实现。更换式加热基底平台可匹配SBS格式微波板(6,12,24,48,96孔),100mm培养皿和小的活动物(如小鼠和大鼠)。用户可以通过scriptwriter程序创建打印模式,指定每个位置要存放的落点数量(通过落点增加的卷)、落点间距、要存放的层的顺序以及交联的类型和持续时间。

  • ▲ 神经组织的修复、再生

    通常来说,创伤性损伤往往会导致神经组织的丢失,临床医生只能从患者身体其他部位取得部分神经,以修复更严重的神经缺损。虽然自体神经移植成功率高达80%,但仍会对患者造成创伤。目前,组织工程师发现,采取人工方法(如,生物可吸收神经引导导管)促进神经再生可有效减少损伤。生物可吸收神经导管法将近端和远端神经残端在导管内缝合,优化创伤部位的生长条件,以促进神经再生。另外,由于导管在修复完成后被人体吸收,不需要手术移除。 喷印技术作为神经组织的修复再生提供了新思路,将喷墨技术应用于生物可吸收神经导管法可做到以下几点: (1)管道内壁与外侧均有涂层; (2)导管中装入喷墨分液单元; (3)可将喷墨喷药微球装入导管; 更重要的是,喷墨方法具有高精度的特性,使人们能够创建和控制管道材料中的蛋白质量或梯度,以及管道表面纹理和物理尺寸。组织工程工作站的打印程序可以精确控制沉积的精确点,分辨率为0.2 mm。

  • ▲ 组织工程3D打印

    通过Inkjet技术和3D打印技术,将组织和器官的基本微元素有机结合起来,从而有效地克隆出具有生物活性和正常功能的组织和器官,对受损部分进行修复、替代和再生。

  • ▲ 心脏支架药物精准喷涂

    心血管手术中,为避免动脉再狭窄,通常使用由金属或合金制成的支架送入体腔,扩张后与管腔壁贴合,起到支撑血管的作用。通常,为预防并发症的产生,需要对支架进行药物涂层处理。常见方法有浸泡、超声波喷涂、气体喷涂等,然而,药物的浓度、分布等无法得到有效控制。 基于Inkjet的支架喷涂技术,具有射流中液滴的可控和可再生优势,同时可将射流精确地引导到设备表面的位置,且具有以下优势: (1)可进行多层药物和溶液的涂层,每一层可使用不同的药物和溶液; (2)支架不同位置的局部密度和厚度可控; (3)药物沉积仅在支架表面,避免支架断裂进入血液中; (4)喷墨技术由软件数据控制,可针对不同的支架模型进行多次转换。 MicroFab已成功制备了与实际支架尺寸相匹配的模型支架,这些带有菱形细胞的模拟支架可用于打印/涂层试验。可以通过在喷墨显微分配器下协调移动支架来覆盖模拟支架,并通过连续移动支架(旋转和轴向移动),根据所需的点对点间距产生液滴,“即时”打印完成。在喷涂过程中,支架作旋转和轴向运动,非常微小的药物液滴按设定的要求由喷头射至支架表面而形成涂层。 研究表明,将100 ug药物(一个小支架的典型剂量)程序化靶递送到试管中,给剂量的标准偏差(SD)为0.6 ug。在137 ug剂量下,在1.8 ug SD的涂层上喷射,支架管显示了100%的捕获效率。而且研究发现,连续喷射制备的支架可产生高达91%的效率,变异系数低至2%,相比于传统的喷雾效果提高了10倍以上。

  • ▲ 冠脉支架药物精准喷涂

    采用MicroFab Inkjet喷墨打印装置和方法,使用非诺贝特、专有聚合物和药物包覆心血管支架,在按需滴式喷射模式下进行打印,即流体保持在环境压力下,使用压电换能器进行液滴发生。喷墨打印完成后,采用紫外分光光度法测定支架的载药效率、药物喷射后的质量和释放动力学,并采用高效液相色谱法进行验证。结果表明,支架管显示100%的捕获效率,支架在137mmol/l剂量时效率可达到91%,与传统的喷雾雾化相比,效率提高了十倍多。因此,MicroFab喷墨打印装置和方法可有效提高载药效率,有望成为许多昂贵药物喷涂的方法。

  • ▲ 心血管支架药物超声喷涂

    采用Ultra-sonic超声雾化喷涂技术。RUIDU 超声雾化喷涂系统在冠脉支架上喷涂药物。

  • ▲ 微球囊打印

    微球囊是将分散的固体物质颗粒、液滴或气体完全包封在一层膜中形成球状微胶囊的技术,目前已被广泛应用微囊化药物、燃料、香料、粘合剂药物的控制释放、动植物细胞培养、细胞和酶的固定以及生化物质分离等领域,具有广阔的应用前景。 现阶段的研究热点集中于减小微囊的体积和微囊尺寸均匀化。这是由于体积小的微囊具有利于氧和营养物的供应、囊内死腔小和便于微环境投放等优势。常见的溶剂蒸发法、相分离法、界面沉积法和喷雾干燥法等物理化学法,需要在高温条件下或使用反应剧烈的破坏性有机溶剂,制备的微胶囊粒径分布宽,很难满足医药工业和生物技术领域中保持生物物质活性的要求。而喷印技术制备的微球囊具有以下优势: (1)微球囊尺寸高度统一; (2)微球囊的制备尺寸可调整; (3)微球囊的药物释放速率可控; (4)生产规模易于扩大(使用阵列喷头或多喷头); (5)局部给药,避免毒性扩散; (6)生物可降解,无需手术切除。 目前,Jetlab 制备的微球囊,可控的粒径范围15~100 μm。研究显示,采用该系统制备的载紫杉醇微球,对所载的紫杉醇分子本身无破坏,保证了药物的治疗效果,包封率至少可达 67 % ,且粒径均匀,药物释放缓慢。研究表明,喷墨技术生产的微球持续释放超过50天,可有效抑制和逆转肿瘤的生长。 由于喷墨技术依赖于数据驱动、非接触技术的结合,因此可将精确的皮升体积的材料在目标地点高速、准确地存放。MicroFab公司的喷墨技术可在三维层次分配生物材料,广泛应用于药物传递和组织工程。标准的JetLab系统常用于生产给药系统,该系统包括:1)微细分发硬件,由一个或多个印刷压电装置构成,允许单或多流体分发或扩大单一流体分发;2)样品打印三轴运动系统,通常包括3个定位阶段与光学编码器(编码器分辨率1.0 m);3)光学系统,以两台黑白CCD相机和一个抓帧器为准,可对准运动台和印刷基板,检查喷射过程的质量,确保喷射的效果;4)驱动,这种脉冲的特性取决于流体特性和微分发装置的结构;5)可选择的软件(内部开发):打印装置/流体,可应用于打印装置的电脉冲特性,每个位置的滴点数量和打印图案。 采用喷墨技术中常见的各种方法,如点选和连续模式喷射,可制备具有窄尺寸分布(标准差1 m)的紫杉醇单分散微球。HPLC测定的载药效率至少为68%,高效液相色谱分析表明,微球囊对药物分子并不产生影响,而MTT试验证实其对癌细胞具有杀伤作用。体外试验表明,制备的紫杉醇微球释放时间约为50d,在此期间的药物释放超过80%。因此,MicroFab喷墨技术可用于制备具有良好药理性能的单分散微球,而且,与其他微球囊制备方法相比,制造过程从热力学控制机制转变为机电驱动机制,更易于控制。

  • ▲ 载药聚合物微囊打印

    癌症的治疗过程中发现,许多类型的癌症不仅对一种药物产生反应,而是会对至少两种细胞毒素或两种抗癌药物产生联合反应,而且,药物的综合治疗可有效降低癌症复发的风险。但是,由于多种药物在治疗过程中对剂量的要求会有所不同,因此,与传统的由固体聚合物微球组成的微球不同,科研人员进一步研发了一种双层微球结构,其聚合物的核心被另一种聚合物的涂层包裹,多种负载药物可以针对性的治疗不同类型的癌细胞。此类载药聚合物微囊,利用其可对指定组织、器官的靶向性和对药物的缓释特性,从而有效地降低药物给病人带来的副作 用并提高药物的生物利用度。 目前,该类药物载体的发展和研究重点体现在--开发新型微粒制备方法,提高药物的包封率,并且在最大程度上确保芯材的完整性和活性,制备过程必须安全无毒;其次是通过对微粒壳材的修饰,使其具有良好的生物通透性,从而加强微粒的 包封性能,具有靶向性,对病变细胞或组织具有特异性的识别,让药物穿过人体内的生物屏障直接作用于病变区域,提高生物利用度。 利用基于MicroFab微压电喷头的微喷射系统,可用于生产双层微球。该系统由两根遮光管组成。外管用于注入形成外壳的液体,而空气注入内管。空气可以用第二种流体代替,从而产生多层球体。

  • ▲ 微阵列(点样)

    传统的点样微阵列制备方法,是采用计算机控制的xyz运动台实现,其头部使用笔尖式搜集装置从多孔板上获取小滴的溶液,然后转移、点样到表面。当使用平面固体表面基板时,笔式打印实用性高且可重复。但是当使用不均匀的膜型衬底时,接触技术会出现较多问题。当表面区域低于一支笔或一组打印笔中的一支笔的水平时,不均匀的基片会导致遗漏点;而薄膜吸收斑点溶液太快时,斑点会导致表面凹痕的出现和斑点不均匀。而且,由于每个点印的容量控制范围有限,会导致无法叠印。正压驱替,利用注射器系统或阀门射流沉积流体,在阀喷技术中,一个孔口或喷嘴附在一个电磁阀上,电磁阀快速开启和关闭,从加压的流动中产生间歇的水滴流。注射器系统从样品孔中抽取液体,然后使用正位移将液体分发到基板上。由于流体特性对分胶效果的影响小于对压电微分胶效果的影响,因此该系统具有较高的可靠性。然而,正压力驱替微分配器系统在低容积时,其可重复性率较低。 MicroFab按需滴式压电微分发装置属于微分液装置,当流体保持在环境压力下,仅仅在需要时,使用压电换能器制造液滴。换能器在流体中产生体积变化,从而产生压力波;当压力波传播至孔口时,转化为流体速度,从孔口喷出一个液滴。作为一种非接触式技术,喷墨调剂的精度不受流体如何润湿基板的影响,如在调剂过程中,正位移或笔转移系统将流体接触到基板上,流体源不会被基板上的流体或基板材料所污染。因此,可使用不同的试剂或生物液进行叠印,且减少交叉污染的风险。最终,流体液滴可自由移动的距离超过1 mm,可将流体分配到井中或其他基质特性中(例如,控制润湿和扩散的特性)。MicroFab技术正在使用单玻璃管压电式分配器,同时将其高密度按需滴阵列打印头技术用于生物活性流体微分配器。集成阵列喷墨喷头的使用,在高密度/高精度条件下,有效简化了多喷墨系统的设计和操作。 压电式按需滴式喷墨打印技术用于微分发液体在DNA和免疫分析诊断、表达研究和高通量筛选方面具有广泛的适用性。研究发现,利用MicroFab喷墨微分配技术,可以以0- 4000 /秒的速度生产出直径为25-100 μm (10 pL - 0.5 nL)的流体球体。MicroFab喷墨微分配装置可广泛应用于打印多种流体(探针、试剂、生物样品流体、表面激活流体等)。

  • ▲ DNA微阵列

    DNA微阵列技术,主要可应用于突变检测、功能基因组学、药物基因组学、SNP基因分型、基因表达研究、蛋白质组学和细胞信号转导等方面,可进一步促进生物技术的发展和研究人员对细胞基本分子通路的理解,已经在全球范围内受到广泛关注。高密度DNA阵列,可作为全球基因组测序的关键技术,为下一代基因组学研究提供了关键信息。高密度DNA阵列的使用,可在实验中有效地获取细胞和组织系统中数千个基因的活动表达情况。 Micro Fab主要用于原位合成过程中基因表达研究的寡核苷酸微阵列,我方研发的Inkjet喷墨技术可将小体积的合成试剂传送至基板。MicroFab技术中,使用喷墨装置将原基因与原位DNA合成设备相结合,仪器由计算机控制的X和Y台组成,操作时将衬底置于喷墨喷嘴下,为四个核苷酸单体分别提供了一个独立的喷墨装置,第五个装置用于递送用于合成偶联的激活试剂。 目前,已经使用该设备合成了长达80 mol的玻璃寡核苷酸阵列,并作为Flex芯片技术推向市场,这类Flex芯片属于定制类型,可广泛应用于基因定位、SNP基因分型、基因表达监测和其他药物基因组学等方面。

  • ▲ 多肽微阵列

    肽是由两个或两个以上氨基酸以肽键相连的方式组成的化合物,是构成人体所有细胞的基本材料,人体内各种细胞功能、所有生命行为,如生长、发育、繁衍、代谢、动作等,都必须通过肽才能体现,因此肽是决定人类生命质量的关键物质。由于肽在细胞和组织中发挥着重要的功能作用,因此肽研究对生命科学和医药工业具有重要的意义。目前普遍通过组合的方法,在单个单元中合成肽,构建一个微阵列格式的肽库,从而实现大规模样品处理。其中,一种自动分析的柔性肽微阵列可用于药物检测中,以减少筛选时间。肽微阵列的常见应用包括: (1)定义蛋白质-蛋白质相互作用的最小域:表位定位; (2)关键残基鉴定:鉴定与结合有关的残基; (3)药物筛选:与药物的相互作用以确定药物先导物; (4)蛋白质构象探针:评价多个结合域的结合; (5)蛋白质与其他分子的相互作用:蛋白质- DNA,蛋白质-多糖,蛋白质-细胞,蛋白质-金属的相互作用。 当使用原位合成时,肽在微阵列中所需的位置时,每次都会产生一个残基。其主要优势在于,该过程中涉及的液体数量有限,仅需20种天然氨基酸和用于洗涤、封盖、去保护的液体。当氨基酸分布在一个衍生的底物上(在每个位置可以有不同的氨基酸)时,合成开始。在沉积和反应完成的偶联时间之后,底物经过封顶,减量物上的连接位点被阻塞,以用于将来的反应。偶联氨基酸在所有位置都失去保护,然后肽链上的下一个氨基酸在每个位置都沉积下来。清洗步骤也在同步进行,以去除残留的试剂。 Micro Fab的氨基酸分配子系统如图所示,相机确定了将在控制程序中使用的配药器的初始偏移量,以确保微阵列上的一个位置配药的所有氨基酸将完全重叠。在Micro Fab上合成的肽通过溴酚染色(在合成结束时检测游离胺)、裂解肽的HPLC和MS分析,以及在微阵列中直接在肽上附着抗体和染色来验证。

  • ▲ EHD电流体动力学打印高通量基因芯片

    左上图:电流体动力学喷墨过程示意图。右上图:DNA微阵列的荧光显微照片(左)和AFM图像(右)。左下图:高分辨率电流体动力喷墨打印原子力显微镜(AFM)图像,使用DNA的水悬浮液(37-100nm直径的点打印MER,单链)。右下图:使用印刷适体模式检测腺苷的示意图(上),荧光显微照片(下)与腺苷分子反应前(左)和后(右)的字母模式。基因芯片(Gene Chip)通常指DNA芯片,其基本原理是将指大量寡核苷酸分子固定于支持物上,然后与标记的样品进行杂交,通过检测杂交信号的强弱进而判断样品中靶分子的数量。随着基因技术研究的发展,基因芯片的概念现已泛化到生物芯片(biochip)、微阵列(Microarray)、DNA芯片(DNA chip),以及蛋白芯片等多种领域。基因芯片种类很多,制备方法也不尽相同,但基本上可分为原位合成法和直接点样法两大类。原位合成法指在固相支持物(如:玻璃、瓷片、聚丙烯膜等)表面原位合成寡核苷酸探针。直接点样法是将预先制备好的寡核苷酸或cDNA 通过自动点样装置点于固相支持物上。与原位合成法相比,它比较简单,多用于制备大片段DNA。目前原位合成法制备DNA芯片,主要通过光刻法和压电打印法两种途径。光刻法只能用来合成30nts 左右的寡核苷酸,且每步缩合率较低,约为95%,合成30nts 寡核苷酸探针的产率仅20%;而压电打印法可以合成40~50nts左右的寡核苷酸,每步缩合率可达99%以上,合成30nts 寡核苷酸探针的产率可达74%,其特异性应比光刻法高。另外,压电打印法制备寡核苷酸探针不需要特殊的合成试剂, 比光刻法具有更高的应用价值。 目前压电喷墨系统的最小分辨率可重复打印的线条或最小点直径为10–30μm,虽然满足极多的基因芯片制备的应用,但是对于许多潜在高通量应用来说,压电喷墨的分辨率还是太大了。电动流体动力学(Electro-hydro Dynamics,简称EHD)喷墨设备是一种完全不同于压电陶瓷式打印机的高分辨率喷印设备。压电式打印机经历了将电能转化为机械外力的过程,而电动流体动力学喷墨直接将电场作用于工作介质。当针尖处电场集中后,其强度大大增大,可以喷出远远小于针尖直径的液滴。传统的压电陶瓷式喷墨打印在无法制备较高分辨率的图案同时,还不得不面对咖啡环和针孔薄膜的问题,而电场打印就可以轻松应对这些问题。 电动流体动力学喷墨打印的基本原理:利用外部施加的电场将液体油墨拉出,而不是将其从小尺寸的喷嘴中推出,这种打印方式所得图案的分辨率高于1μm。当在两个电极之间施加高电压时发生电晕放电,并且该过程导致与电极相同极性的离子向另一电极移动,形成空间电荷,并在两个电极之间产生流动电流,离子间库仑力引发电流体动力流。当打印系统的喷头内含有带不同电荷的墨水时,在喷嘴和基板之间施加电压,如左上图所示,阳(阴)粒子聚集至正(负)电极的喷嘴尖端(相对于接地基板),并形成圆锥形弯月面,称为泰勒锥,当电压增加时,静电应力将克服表面张力和粘度,最终将液体从锥尖喷射到基板上。 极高的分辨率和与各种油墨的兼容性,使电动流体力学喷墨在印刷电子、DNA芯片制备等领域有很高的吸引力。基因芯片显示具有多个探针位点(例如DNA和蛋白质)的表面,每个位点可以携带特定的试剂。互补分子与试剂的结合产生一个信号,可以通过成像技术,如荧光来检测。为了对复杂的生物样品进行大量的平行分析,增加单位面积的探针位点的数量是非常重要的。因此,可以小间距打印小点的技术对研究人员具有极高吸引力。因此受益于电流动力喷墨打印的高分辨率能力,基因芯片在高通量具有极大的研究前景;作为一个例子,右上图给出了使用2um口径喷头,电流体动力学按需电点喷的14X14的银光标记DNA单链微阵列图示,点径2um和点间距5um。这种DNA芯片点径的大小,大约是传统热/压电喷墨系统产生的10分之一。而且,在减小尺寸情况下,这些探针位置的荧光标记,荧光强度也很容易被标准荧光显微镜检测到。 左下图所示,通过减小喷嘴直径,DNA点的直径可以大大降低到100nm。虽然因为这些纳米尺度的的相关荧光信号太小,无法使用常规显微镜有效地检测,但这种打印分辨率对于纳米材料组装和分子相互作用的基础研究等应用来说是非常重要的。 DNA芯片研究的进展扩大了它们的用途,以检测更广泛的分析物,包括有机小分子、无机离子、癌细胞或病毒,具有很高的选择性。特别是DNA适体是一类有趣的功能DNA,它们与特定的分子结合并诱导构象变化。越来越多的报道描述了新适配体的合成及其在生物传感器中的应用,以检测腺苷、可卡因、凝血酶等。如左下图所示,使用电流体动力喷墨形成的腺苷-DNA适体微阵列,打印成一个复杂的几何形状,作为腺苷的荧光生物传感器。传感器的制造过程开始于喷墨打印单链DNA功能与荧光染料和生物素。(这个生物素基团使DNA能够固定在链霉亲和素包覆的底物上。) 随后,印刷DNA与两条互补链杂交:(1)DNA适体链能选择性地与腺苷反应;(2)含有猝灭剂标签的另一条链。在这种杂交之后,荧光变得猝灭,因此变暗(右下图.10c中的左内嵌)。然而,在水腺苷溶液(5mM)暴露后,由于猝灭剂的释放,荧光信号再次显著增加。

  • ▲ 柔性可穿戴压力传感器

    柔性电子材料具有高灵敏度、可弯折等优点,具有可穿戴性,可应用于各类柔性传感器,如压力传感器、触觉传感器、气体分子传感器等。在电子皮肤、医疗监测、智能机器人等方面应用广泛。上图所示为基于银纳米线(AgNW)喷墨打印的柔性电阻式压力传感器,灵敏度高达0.48 kPa-1。

  • ▲ 柔性可穿戴温度-压力传感器

    作为人体皮肤最敏感的部位之一,指尖可以区分温度-压力刺激,具有特别高的空间分辨率。它使人工指尖的构建比典型的电子皮肤更具挑战性。因此,构建高度集成的MFSOTE阵列对于满足所谓电子手指的要求至关重要。通过使用MicroFab的Jetlab®Ⅱ喷墨打印系统,中科院化学所相关研究团队在织物框架上制造了2×3cm²(每个像素0.25mm²)的高分辨率MFSOTE阵列,其中包含1,350个像素。上左图显示了在指尖上喷墨打印的MFSOTE矩阵的照片。当指尖接触一个接触面积为1.4×1.4mm²的小冰块时(4个像素),在重建的地图上收集了空间分辨压力(2-3kPa)和温度(0-5°C)信息,如上右图所示。这些结果意味着该传感阵列具有出色的空间分辨率和双参数传感能力。

  • ▲ 柔性表皮电化学葡萄糖传感器

    天津大学相关课题组开发了一种柔性表皮生物微流控装置,以实现连续血糖监测。如图A所示,该装置可以像创可贴一样紧紧地贴在皮肤表面,以获得血糖浓度变化的信息。柔性装置不会影响人体的正常活动,应用起来非常方便。此外,柔性装置可以随着皮肤的运动而变形,这避免了由装置和皮肤之间的相对运动,从而促进透皮吸收。图B显示了表皮生物微流体装置的结构,其包括两个部分:温度控制部件和葡萄糖检测贴片。图C显示了制造的葡萄糖检测贴片的照片。该装置完全由喷墨打印的直写技术制造,包括柔性电极的形成、纳米材料的原位改性和酶分子的固定。全印刷工艺使得制造容易,成本低,有利于实际生产。

  • ▲ 葡萄糖生物传感器

    用喷墨打印技术制造葡萄糖生物传感器。a)在碳电极上打印4000滴GOX溶液后的固定滴。b)是(a)滴入的平面图。c)20×20网格的平面图,每个网格位置打印10滴。通常用于酶传感器的碳电极相对疏水,初始大接触角导致打印后酶溶液的扩散不良(a和b)。为了在电极上实现更均匀的酶沉积,可以添加表面活性剂以降低接触角,或者可以对打印机进行编程,以将单个打印液滴分布在电极上的定义阵列中,而不是在单个位置(c)。向溶液中加入表面活性剂会降低其表面张力,从而降低接触角。(MJ-ATP-01, MicroFab)

  • ▲ 免疫抗体打印

    20世纪80年代初,蛋白质的喷墨打印技术已得到发展。在最新的研究中,抗体被印在膜上,抗体与硝化纤维相结合用于诊断分析。如图所示,雅培公司的妊娠指示器TestPack™使用 MicroFab技术公司开发的两种液体连续喷绘系统进行打印操作,使用硝化纤维素打印出两种抗体(通常是公司HCg和a control)。Abbott TestPack™也可用于链球菌和药物滥用测试。

  • ▲ 生物气体传感器(阿尔茨海默氏病早期诊断)

    依据2000年的美国人口调查报告显示,全美范围内约有450万人患有阿尔茨海默症,85岁以上的老年人群体中约有一般人患有阿尔茨海默症,而且,预计2050年患病人口数将进一步攀升至1320万人,每年阿尔茨海默症患者的直接和间接治疗费用高达1000亿美元,对社会和家庭造成严重的影响。阿尔茨海默症的早诊断早干预,可有效延迟疾病的发病,降低治疗费用,提升患者满意度。在对患者的研究中发现,患病初期对气体的识别能力显著下降,且嗅觉信息的处理与海马体体积之间具有很强的相关性,因此可采用生物体的气体测试有效检测阿尔茨海默症的发病。气体识别测试(UPSIT)是最常见的刮嗅测试,但是其不能量化嗅觉阙值,且不同浓度溶液的制备较为繁琐,无法用于疾病的准确预测。 嗅觉测量技术是基于数字控制的高精度喷墨点胶技术,可精准确定人的嗅觉阈值。由于特定气味的阈值被确定为非常高的分辨率,且喷墨微分机能够提供纳摩尔数量的气味每一滴,因此该系统可通过可互换的墨盒来散发多种气味。通过使用试验中使用的气味剂的稀释剂,该分辨率可以延长到单滴分配。 Micro Fab嗅觉检测由压电驱动的微分配装置组成,将少量气味源分配到加热元件上,挥发油通过非常低的气流传递给测试者。嗅觉计带有一个配备微处理器的控制框、液晶显示屏和操作按钮,具备下载测试数据的能力。检测时,将控制器预先编程,以对数递增的步进下降计数,并确保测试者在试验之间有足够的恢复时间。 实验选用了一种玫瑰气味剂(苯乙醇),因为它能选择性地刺激嗅觉脑神经而不影响鼻内三叉神经末梢。另选用柠檬气味剂(柠檬提取物)进行实验,因为它会刺激三叉神经。第一次试验中,小剂量的气体(12.06 nl)传送至测试者的输入气流中。在随后的试验中,对数衰减的气味量(09nl~102.5nl)被释放在等量的空气中,并且由测试者报告是否闻到另一种气味。 实验发现,MicroFab的嗅觉检测针对玫瑰气味剂(苯乙醇)和柠檬气味剂(柠檬提取物)两种气味,检测灵敏度高,且发现阿尔茨海默症患者的嗅觉阈值(89.02nl和74.34nl)明显高于帕金森氏症患者(23.08nl和74.34nl)。

  • ▲ 神经导管打印

    通常来说,创伤性损伤往往会导致神经组织的丢失,临床医生只能从患者身体其他部位取得部分神经,以修复更严重的神经缺损。虽然自体神经移植成功率高达80%,但仍会对患者造成创伤。目前,组织工程师发现,采取人工方法(如,生物可吸收神经引导导管)促进神经再生可有效减少损伤。生物可吸收神经导管法将近端和远端神经残端在导管内缝合,优化创伤部位的生长条件,以促进神经再生。另外,由于导管在修复完成后被人体吸收,不需要手术移除。 喷印技术作为神经组织的修复再生提供了新思路,将喷墨技术应用于生物可吸收神经导管法可做到以下几点: (1)管道内壁与外侧均有涂层; (2)导管中装入喷墨分液单元; (3)可将喷墨喷药微球装入导管; 为更好的使用喷墨技术进行导管打印,进行了相关调整,包括:1)将桌面版本的JetLab系统连接到无菌的组织培养罩上;2)运动台和金属固定装置的尺寸进行了调整,以保证气流在发动机罩内畅通无阻;3)在电子电路中引入热电偶与温度控制器反馈回路耦合,控制印刷基板的温度;4)增加了一个旋转轴,允许芯轴在打印过程中旋转。 喷墨方法具有高精度的特性,使人们能够创建和控制管道材料中的蛋白质量或梯度,以及管道表面纹理和物理尺寸。组织工程工作站的打印程序可以精确控制沉积的精确点,分辨率为0.2 mm。

  • ▲ 结构蛋白打印

    莱布尼茨新材料研究所的Małgorzata K和 Włodarczyk-Biegun在“3D bioprinting of structural proteins”的研究中,重点讲述了结构蛋白(胶原蛋白、蚕丝、纤维蛋白)生物打印的研究进展,作为一种特别有趣的技术来重建天然支架的生物化学和生物物理组成以及层次形态。结构蛋白提供的分子设计的灵活性,结合了生物打印固有的混合、沉积和机械加工的灵活性技术,使功能强大的支架和组织模拟物的制造具有一定程度的复杂性和组织性,这才刚刚开始被探索。这里描述了基于结构蛋白的生物墨水的打印参数和物理(机械)特性,包括打印支架的生物学功能。描述了应用打印技术和交联方法,重点介绍了为改善支架性能而实施的修改。还报告了使用的细胞类型,细胞活力,和可能的构建体应用。研究团队设想,将打印技术应用于结构蛋白,将实现对其超分子组织的空前控制,赋予打印支架生物特性和接近自然系统的功能。 作者对比了喷墨打印,机械点胶和激光打印,喷墨打印的优势在于高速、成本低,缺点是只能用相对低浓度的细胞溶液防止堵塞喷头(RUIDU 生物喷墨3D打印平台 RD-3DB200 已优化这一不足)。机械点胶可以使用更高浓度的细胞溶液,但油墨沉积过程中剪切应力引起的变形对细胞活力的影响。激光打印允许打印高粘度材料和高细胞密度在非常好的分辨率下,却受到高成本和缺乏打印大型结构的适用性。 作者同时也用不同材料打印出了不同效果,打印结果良好。作者提出大多数生物打印ECM蛋白的研究都集中在自然材料的模式传递上。然而,这种打印方法在打印时提供了额外的优势作为超分子形成单位的结构蛋白。在微尺度上加工材料所施加的机械力可以影响材料的自组装过程,形成具有特定力学性能的分层排列的上层结构。这种策略被自然系统用来处理具有独特性能的材料。例如,在蚕或蜘蛛中,丝蛋白的折叠和组装是在腺体通过一个狭窄的管道分泌时发生的,产生的材料的属性取决于挤压参数,如剪切力和环境条件,如pH值下降,离子交换,分泌过程中温度的变化。此项打印方法可以使蛋白质结构拥有前所未有的复杂性和组织性。

  • ▲ 微血管

    使用喷墨打印机进行生物打印微血管。中间图:共聚焦图像显示由含有荧光珠的胶囊形成的藻酸盐管,显示管是空心的。右图:微血管的共焦z堆栈重建。β-连环蛋白(绿色)和 DAPI(蓝色)。插图显示了微血管的横截面。(MJ-AB-01–080, MicroFab)

  • ▲ 3D肺泡屏障模型打印

    随着新呼吸道病毒的爆发和肺部疾病的高死亡率,迫切需要人类呼吸系统的生理相关模型来研究疾病发病机制、药物疗效和药理学。生物打印技术是可用于制造复杂结构的3D组织模型的新兴技术之一。生物打印可以3D方式自动沉积细胞和生物材料,实现组织模型的高度控制和定制生产。生物打印组织工程可以为体外药物筛选和毒性研究提供更精确的模型。在生物打印技术中,压电喷墨生物打印最适合重建薄而复杂的软组织特征。这是因为按需打印方法具有分辨率高、打印速度快、高细胞活性、材料浪费低等生物打印技术的优势。基于喷墨的生物打印机在其喷头中包括一个压电制动器,在电脉冲下在墨水腔内产生声波,以喷射典型体积为 1~100 pL(10-12L)的非常小的液滴(MicroFab喷墨技术可实现≥0.1pL的微液滴),喷墨打印的这种能力已被证明能够在2D和3D环境中以高精度和速度对活的哺乳动物细胞进行微图案化。(Jetlab®Ⅱ, MicroFab)

  • ▲ 神经组织工程精密支架

    喷墨打印是一种有效的支架成型方法,该技术在神经组织工程精密支架的制备中具有很大的应用前景。周围神经损伤占世界创伤损伤的2.8%,主要是挤压、穿刺、牵引、电击和振动损伤,这些伤害影响到全世界数以百万计的人,导致人们的预期寿命缩短并增加社会和经济负担。虽然受伤的神经有再生的能力,但需要外部治疗干预以确保适当的愈合,因此,用于引导神经细胞附着、排列和增殖的工程神经支架的研制受到了极大的关注。英国谢菲尔德大学化学与生物工程系招秀伯教授课题组,利用一种自组装肽作为细胞吸引剂,并以再生丝素(RSF)作为排斥剂,利用Inkjet喷墨打印技术对神经元PC12细胞进行图形化处理,来指导神经元细胞的生长。(Jetlab®4-xl, MicroFab)

  • ▲ 血管网络

    MicroFab喷墨方法具有高精度,因此可有效控制管道材料中的蛋白质量和梯度,以及管道表面纹理和物理尺寸。目前,MicroFab已初步应用于外周神经的再生、心血管、食道等组织结构的构建。如图所示,模拟血管网的三维聚合物结构(120μm的宽分支)。

  • ▲ 微粒打印

    在颗粒技术和粉末制造领域,需要生产具有均匀特性的颗粒,以达到严格的产品质量。目前的雾器可以产生各种形状的喷雾,但是高气体流量和进料流量以及不同的喷雾方式会导致喷雾空气混合复杂、雾滴轨迹复杂,进而导致雾滴和雾滴壁碰撞、壁沉积、污垢、腐蚀、有害团聚、大粒径分布,最终形成不均匀的产物。近年来,所有以粉末形式生产的材料都不断要求新的粒子特性,以改善有效密度、压实性、连接、分布和定向性,以形成独特的基体材料。此外,生物和制药对高球形颗粒提出了新的要求。如,球形颗粒提供了一种有用和实用的手段,通过提供足够浓度的药物直接作用于靶点,以在预期的几天到几个月的时间内实现适当的药物释放,使药物的药效最大化,因此,特别适合于化疗药物和结核病药物的胶体药物递送。此外,在许多生物、农业和药物测试研究中,会涉及对细胞结构和功能的理解,而其数据/信号的灵敏度和重现性与样品粒子的均匀性有直接关系。喷印技术,是一种快速、可靠、无溶剂的工艺,具有产生单分散液滴的显著优势,可精确控制液滴特性,因此可用于微粒印刷的产生。 MicroFab公司生产的MJ-AT-01挤压式压电打印头,喷头喷嘴孔径为30μm,可用于微粒的产生。如,采用纳米银悬浮液和金属有机硝酸银溶液(AgNO3)进行研究,发现喷墨油滴的尺寸将决定最后的线宽,在喷墨打印过程中,悬浮颗粒的存在会增大墨滴在基材上的直径。进一步采用更高的驱动脉冲,可明显提高喷墨打印导电线的成形性。然而,更大的线宽引入会导致较高的熔滴重叠与较低的驱动脉冲相结合,引起胀形现象,使直线度变差。 MicroFab公司生产的喷墨装置(MJ-SF-80)也可用于制造具有不同形态和表面特征的颗粒。该设备长34mm,直径12mm,孔板直径80μm,喷墨装置由一个环形压电换能器连接到一个玻璃毛细管组成玻璃毛细管一端连接到进料容器,而另一端具有用于喷射液体的孔板。通过对压电换能器施加电压,换能器产生了封闭在玻璃毛细管内流体的体积变化,进而产生压力波,压力波通过液柱向喷嘴方向传播,孔口处流体柱横截面的骤变会诱发液滴的形成。由于喷墨微点胶是数据驱动的、非接触式的,因此能够以高速率在非平面表面上精确沉积皮升体积。由于是数据驱动的,使用灵活,可应用到生产线进行自动化操作。此外,不需要特定应用的工具,如光罩或屏幕;作为一种添加剂工艺,没有化学废物,属于环境友好型。

  • ▲ 细胞封装(油包水)

    藻类细胞固定化是废水处理、有用代谢物生产和养殖管理的常用技术。然而,目前技术中对固定液滴的大小、微生物种群和生产率的控制需要改进。在这里,Hwa-Rim Lee所在课题组首次使用按需喷墨打印将海藻的孢子固定在海藻酸盐微粒中。通过将藻酸盐-孢子悬浮液打印到氯化钙溶液中来产生带有固定孢子的微粒。他们证明喷墨技术可以通过改变墨水中的孢子密度将喷射液滴中的孢子数量控制在0.23到1.87的范围内。在基于打印的孢子封装后,他们观察到菌体的初始发芽和持续生长,直到培养45天。该研究表明,喷墨打印具有固定藻类的巨大潜力,并且控制封装孢子数量及其微环境的能力可以促进对封装孢子微观相互作用的研究。 将藻类细胞固定在聚合物水凝胶中具有广泛的应用。固定化藻细胞可用于污水处理,以去除养分、金属和工业污染物。捕获的藻类细胞还可用于产生代谢物、测量毒性、通过冷冻保存细胞以及管理原种培养物。该技术还能够改善固定化藻细胞的代谢、功能和生长。在水凝胶颗粒中捕获微生物的方法包括将细胞悬浮液常规滴入装有硬化溶液的容器中;挤压滴水;重力驱动滴水;悬浮喷涂。所有这些方法要么速度慢,要么无法充分控制液滴的大小、微生物含量或生产率。一种实用的方法将克服这些缺点。 按需喷墨(DOD)喷墨打印广泛用于各种领域,如生物打印、印刷电子和3D制造。DOD压电喷墨打印在压电喷墨打印机的喷嘴通道中使用了一个压电致动器。电压脉冲会减少装有墨水的腔室的体积,因此有些会以液滴的形式喷出。压电喷墨打印可以在>10kHz下产生大小为1–100pL的液滴。喷射液滴的大小可以通过调整输入电压脉冲或选择合适的喷嘴来控制,并且小于水凝胶中营养物质和代谢物的扩散极限(100-200μm)。小尺寸的微粒可以使捕获的藻类细胞生长过程中的抑制作用最小化。由于能够喷射少量墨水,喷墨打印已被用于封装大分子、药物和哺乳动物细胞。(Jetlab®II, MicroFab)

  • ▲ 农药精确变量喷施研究

    ​农药精确变量喷施技术一直是智能化植保机械的重要研究内容,一直是精细化农业领域的研究热点。农药精确喷施牵涉到农药的有效利用、农产品安全、环境污染和操作者的人身安全等众多问题。如何按照农业要求快速准确地进行喷施作业,并使其具有良好的雾化特性和均匀性是喷施的关键要素。 农药雾滴在叶片表面的沉积、润湿和粘附行为在植物保护中至关重要,因为对它们的研究能有效减少化学品浪费和环境污染。实际中数以百万计的直接作用于植物表面的农药雾滴会到达非目标地点,且这些农药在降落途中可能被风吹离轨道,也可能从植被表面反弹回来。这种偏差导致施药效果降低且施药频率增加,因此,将大多数液滴定位在目标表面以防止化学物质损失在农药植保中是一个非常值得关注的问题。解决这一问题的方法包括用表面活性剂改变农药制剂的流变性质,并对喷雾液滴进行静电充电,以增强在叶片表面的沉积和扩散效果。表面活性剂的加入起到发泡或消泡、稳定或缓冲以及润湿或粘附性质的作用,并降低制剂的界面张力以增强液滴的沉积。来自有机硅氧烷、聚电解质和乙氧基化合物的表面活性剂已被试验证明有效,其效力取决于浓度水平。虽然表面活性剂农药复合物改善了植物表面的液滴沉积,但它受到叶片方向和表面形态、液滴行为和施用系统的抑制。亲水或疏水叶片表面在正面-背面部分暴露于喷雾液滴决定了沉积效率。喷射液滴的电荷叠加也增强了极性吸引和环绕沉积。高电压施加为液滴提供了特有的负电荷,以吸引叶片结构中的正离子。在不同的各向异性的情况下,表面活性剂-农药配方和电极荷电率的组合效应可以最大化液滴在不同叶片表面上的沉积和扩散。 江苏大学课题组利用自己设计的药物液滴观测分析平台研究了不同浓度的表面活性剂和农药制剂在疏水性叶片正面的原位带电单尺寸液滴行为。实验平台可以研究溶液电导率、液滴荷电率、表面张力、静态接触角、疏水性叶片表面上的沉积和润湿面积。定制的液滴发生器与开发的感应电极喷嘴帽相结合,用于产生带电的单一尺寸的液滴。该模型包括一个注射针头,通过头部泵的振荡运动将带电液滴流分配到叶片表面。注射器的不锈钢针头长度为5毫米,直径为0.71毫米,容量为2.5毫升,可产生2至5微升的单个液滴。针头固定在喷嘴帽内,每侧有两个30 × 10 × 3毫米的电极,并连接到容量为15千伏的高压发生器,以在液滴破裂时将负电荷叠加到液滴上。使用平板电极在农药喷洒的连续液滴排放区(适用于扁平扇形喷嘴)获得高性能和最大充电强度的对称电场。该装置是可调节的,以在任何设置下保持针尖和测试台之间的最大距离为50毫米。该装置在一个封闭的实验室内,内部有静风以防止液滴喷射脱轨,湿度为67%,温度为25℃,以提供模拟现场条件的理想液滴蒸发。将不同浓度的表面活性剂-农药复合物的制剂吸入注射泵。以指定的时间间隔转动注射器的旋钮,以喷射带电的液滴大小。 在叶片表面,带电的单一大小的液滴在破裂后具有势能,降落(沉积),膨胀获得动能(扩散),并根据表面的各向异性粗糙度或光滑度粘附(保留)或脱落(反弹)。光谱研究了雾滴在叶片表面的沉积、滞留、扩散、反弹和接触角等撞击行为。由于叶片表面的形态特性是生物稳定的,因此只有配方和应用系统才能得到改善,以增强液滴撞击行为。表面活性剂的加入改变了农药溶液的流变特性,而电荷的叠加有助于液滴撞击叶片表面结构。不同浓度的表面活性剂-农药溶液的电性能和导电性从根本上影响了液滴的荷电性以及液滴在叶片表面的沉积状态。 液滴体积大小的变化直接影响表面活性剂和农药制剂在施用过程中的表面张力。溶液中分子内的内聚力对于较大的液滴尺寸比较小的液滴尺寸更强,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,水溶剂会产生较大的液滴,但在水溶液中混合表面活性剂和农药会产生较小的液滴,从而产生较低的γ值。 在农药喷洒过程中,液滴表现出撞击、弹跳或扩散行为。配方的流变性质和叶片表面的纹理类别影响着撞击过程,这取决于液滴夹带的动能。由于弹跳通常在高冲击力下发生,在本实验中,静电感应原理应用于表面活性剂-农药溶液的液滴时,这种现象是不可见的。带电液滴轰击、固定和润湿叶片表面的时间取决于液滴的体积。在植物的正面叶片上,不同浓度的乳油和制剂的液滴冲击行为不同。液滴在表面的扩散随着溶液中表面活性剂-农药浓度的增加,达到最大平衡点。 总之,在实验室中研究了表面活性剂-农药复合制剂对电荷的响应性,以增强液滴在疏水性叶表面上的撞击行为。该制剂在溶液中表现出表面活性剂和农药作为超级分散剂的特征。除水外,表面活性剂和农药在水溶液中的电导率随着浓度的增加而增加,这进一步增加了液滴的电荷量。喷射液滴流中电荷的叠加降低了γ值,并且总是降低叶片疏水表面的接触角。带电液滴的γ值和静态θ值的下降程度与液滴的大小和体积成正比。 在农药喷雾应用方面,MicroFab研制的微液滴发生系统可以为研究药物喷雾的发生和控制提供一整套研究方案。通过MicroFab的微液滴发生系统可以观测液滴在植物叶面上的运动情况及附着状态。该系统可以很好的应用于农药精确喷施技术的研究。其优点:1、高精度,喷墨产生高度可重复的液滴,可通过聚集产生更大的体积;2、连续变化,从此应用的角度来看,单个滴(20-200 pL)的极小尺寸几乎会产生总(累积)量的连续变化。

  • ▲ 粘合剂

    上图是用同一设备印刷的各种尺寸(最小80μm直径)的胶点,可调整局部材料密度。在医疗设备、曲面屏幕、MEMS组件等器件的制备方面,均需要合理有效地分配非接触式粘合剂,以防止损坏或污染设备。这是因为,精密仪器制备中,微型光学元件附着在非常小的其他元件上,如何使在双方达到紧密连接是关键。常用于粘接的材料可以是热塑性/热固性/热熔氰基丙烯酸酯、环氧UV固化硅酮丙烯酸酯聚氨酯,且均可使用喷墨技术进行微点胶打印。许多商用胶粘剂产品适用于喷墨沉积,而另一些则需要进行调整。考虑在分配器孔口达到的剪切速率,50cPs被认为是流体粘度的实际极限,因此,具有较高粘度的商用粘合剂可以通过加热或稀释的方式引入喷墨式分配器的操作范围。 喷墨微点胶的优点在于精确控制位置、单点胶量、物料在面积上的分布和线宽。MicroFab使用喷墨打印方法可制造各种组件和设备,使用的材料包括光学粘合剂,紫外光固化聚合物,指数调整热塑性配方和其他特殊粘接材料。MicroFab高温打印头用于在高达220 ℃的温度下分配粘合剂材料,通过改变工艺参数、点阵、细线和区域,打印范围从10μm到几毫米,精度水平只有几微米。 使用MicroFab的高温打印头,粘度在100- 200cps范围内的粘合剂可以加热到100℃左右,将其粘度降低到一个可接受的范围,或使用相容溶剂稀释降低粘度,可在涂胶后溶剂蒸发,只留下粘合剂。 此外,还可以通过在商用粘合剂材料中填充金属颗粒、碳纳米管或陶瓷颗粒,改进其导热性或导电性。

  • ▲ 微透镜阵列

    上世纪九十年代,光电子学和微电子学相互渗透形成微光学(Micro-Optics),微光学元件中,微透镜阵列尤为重要,它在照明、成像、光通信等方面发挥重要作用。微透镜阵列是由直径在10μm到1mm之间的微透镜按照一定的排列组合而形成的阵列,其透镜尺寸小,可用于光信息处理、光计算、光互连、光数据传输、生成二维点光源,也可用于复印机、图像扫描仪、传真机、照相机,以及医疗卫生器械中。此外,微透镜阵列器件也实现了微型化和集成化,使得其具有很强的适应性,可广泛用于通信、显示和成像器件当中。用于半导体激光器的椭圆形折射微透镜阵列,能够实现激光器的聚焦与准直,激光二极管(LD)的光束整形, 它还可用于光纤、光学集成回路之间,实现光器件的有效耦合。在光纤通信中,椭圆形微透镜将来自自由空间的光耦合进光纤,并校准从光纤出来的光。目前微透镜阵列己经在原子光学领域有所应用,利用微透镜阵列做成原子波导、分束器、马赫一曾德尔干涉仪或利用其捕获原子或者对中性原子进行量子信息处理。因此对于微透镜阵列使用材料,制作工艺和用途方面的研究十分必要。 MicroFab使用喷墨打印方法,用于数据驱动的微光学元件的制造,如折射透镜阵列,将多模波导和微透镜/传感器沉积在光纤/光纤束的尖端。用于微光学MJ点胶装置打印的材料包括光学粘合剂,uv固化聚合物和指数调整热塑性塑料配方。MicroFab研发的高温打印头用于在220 ℃以下的温度下分发光学材料,目前该发明已取得相关发明专利。通过改变工艺参数,已制造出不同尺寸的球形和圆柱形平面凸透镜阵列,尺寸范围从80μm到1mm、精度仅为几微米。 通过荧光光谱可以监测每个传感器的特性,并且能对目标分析物进行灵敏度检测和定量分析。通过光学成像方法对这些分析物进行同步检测和测量,并在空间上记录每个打印出的微点阵。

  • ▲ 光纤传感器微透镜阵列

    光纤传感器可用于传统传感器不能使用的情况下执行难度较高的一些测量应用。这种传感器通常结构紧凑、质量轻、耐腐蚀,并且可以多路复用。它们不受电磁干扰,能在恶劣环境中应用。由于各种分析物的测量需要促进了光学传感器阵列的发展,并可用于样品的完整化学色谱的测量。例如,多个感测化学物可以连接到光纤传感器的光纤末端,并且不同的感测化学物可以通过空间或光谱分辨率来识别。(图a为劳伦斯国家实验室制造的显微光度计原型,其中使用了MicroFab Technologies打印的传感元件;图b为在光纤尖端打印荧光染料制备出的显微光度计的示意图) 利用喷墨技术在可接触的光学表面打印一种或多种标记化学试剂。其中一个常见的例子就是光纤的尖端。该方法提供了一种通过使用多种MJ喷头分配几何形状来精确打印不同材料的图案。每种化学试剂可包含一个或多个光能吸收染料,其光学特性随目标分析物的变化而变化。 通过荧光光谱可以监测每个传感器的特性,并且能对目标分析物进行灵敏度检测和定量分析。通过光学成像方法对这些分析物进行同步检测和测量,并在空间上记录每个打印出的微点阵。(图c为喷墨打印在光纤束末端的生物传感器透镜)

  • ▲ 可生物降解骨科植入物

    喷墨打印Fe–30Mn可生物降解支架,孔隙率为36.3%。

  • ▲ 药物球囊喷涂

    采用Ultra-sonic超声雾化喷涂技术。RUIDU 超声雾化喷涂系统喷涂药物球囊。

  • ▲ 导管喷涂

    采用Ultra-sonic超声雾化喷涂技术。RUIDU 超声雾化喷涂系统喷涂导管。