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。

生物与医药

典型案例

  • 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。

  • 生物气体传感器

    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(09 nl~102.5 nl)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,Micro Fab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(89.02 nl 和74.34 nl)明显高于帕金森氏症患者(23.08 nl 和74.34 nl)。

  • 支架

    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。 Micro Fab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。

  • 微球囊

    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。

  • 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。

  • 医药

    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Micro Fab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。

  • 单细胞

    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Micro Fab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。

  • 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。

  • 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。 Micro Fab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)。Micro Fab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Micro Fab喷墨微分配技术,可以以0- 4000 /秒的速度生产出直径为25-100 um (10 pl - 0.5 nl)的流体球体。Micro Fab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)。

  • 免疫抗体

    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。

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