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>生物芯片点样、DDPCR、DNA合成、CGM柔性连续血糖监测传感器、高频药物微球产生、心血管支架单面精密药物喷涂制造、球囊表面药物及功能涂层喷涂、各类医疗器械表面喷涂、活性单细胞喷射分选及封装、骨科植入物及生物组织3D打印等。</p>

生物医疗

生物芯片点样、DDPCR、DNA合成、CGM柔性连续血糖监测传感器、高频药物微球产生、心血管支架单面精密药物喷涂制造、球囊表面药物及功能涂层喷涂、各类医疗器械表面喷涂、活性单细胞喷射分选及封装、骨科植入物及生物组织3D打印等。

典型案例

  • ▲ 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。

  • ▲ 活体单细胞打印

    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)

  • ▲ 活体单细胞打印

    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和一个MJ-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。

  • ▲ 活体单细胞打印

    临时单细胞涂层是细胞处理的有用工具,允许在重新建立正常细胞功能之前对细胞进行操作以防止细胞附着和聚集。在“阳离子聚合物用于生物加工的临时单细胞涂层”的研究中,描述了一种使用已知聚阳离子 [poly(l-lysine), PLL] 的斑点涂层方法来诱导三种不同细胞类型(即两种骨癌细胞系和成纤维细胞)上的细胞表面静电荷。报告了细胞表面PLL斑点涂层的形态、聚合物的内化和代谢以及防止细胞聚集。发现聚合物浓度是控制胶囊形态和细胞健康的关键参数。这种方法允许在1-2小时内进行临时细胞涂层,细胞在摄取和代谢聚合物后表现出表型正常行为。该过程提供了一种快速有效的替代方案,以帮助生物加工应用中的单细胞操作。还介绍了应用PLL斑点细胞涂层在实现可靠生物打印方面的初步工作。 (使用带有内部储液器的Jetlab®4单喷头压电打印机。从直径为60μm的喷墨打印头(MJ-AT-01-60-8MX)中分配两种1×106个细胞/mL生物墨水,其中含有10μg/mL PLL涂层或未涂层细胞。)

  • ▲ 活体单细胞打印

    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。

  • ▲ 高通量细胞冷冻打印

    相关研究团队已经成功地使用喷墨打印来冷冻保存源自人类胚胎干细胞(hESC)的3T3小鼠成纤维细胞和人类神经祖细胞(NPC)。通过以100Hz–20kHz范围内的速率从380pl的单个液滴打印含有二甲基亚砜(DMSO)作为冷冻保护剂 (CPA)的细胞悬浮液,形成体积为114nl的固着液滴。打印和冷冻/解冻循环(在液氮温度下至少保持24小时)后,3T3细胞在所有液滴沉积速率下均表现出>90%的平均存活率,CPA浓度<0.8M。这比通常用于常规冷冻保存方法的CPA浓度要低得多。细胞活力随所用聚合物底物的不同而略有不同,使用聚酰亚胺底物可获得最佳结果。与保持24小时的细胞相比,3T3细胞在液氮温度下储存2个月后的生存力略有降低,但在储存4或6个月后没有进一步显着恶化。在相同的冷冻/解冻循环后,NPC的存活率仅为55%,但这与使用更高CPA浓度的传统冷冻保存方法相当。将细胞打印到保持在195K的基板上或直接打印到液氮中的一系列平行实验表明,细胞存活率随液滴沉积率的变化而显着变化。与打印后冷冻时相比,细胞悬浮液需要更高水平的CPA。在低沉积率下,需要DMSO和聚乙二醇(PEG)的组合以允许冷冻后的细胞活力。这些结果表明,喷墨打印为细胞的冷冻保存提供了一种实用的高通量方法,其CPA浓度低于当前低容量冷冻保存方法所需的浓度。 (上左图为研究中使用的三种冷冻打印程序的示意图。a)打印到聚合物基板上并转移到保持在193K的冰箱中。b)在冷却至195K的金属底座上打印到聚合物基板上。c)在77K的温度下打印到含有液态N2的孔中。 上中图为195K基板上的冷冻柱由以100Hz沉积的液滴打印。左边的柱子正在打印;右边的另外两根柱子就完成了。打印后获得的图像:a)1秒,b)2秒,c)3秒。 上右图为:以20kHz打印的195K基材上的冻结点。 打印后获得的图像:a) 1秒,b) 2秒,c) 3秒。)

  • ▲ 打印单细胞来量化肿瘤内的异质性

    在个性化医疗时代,肿瘤内异质性的量化对于设计有效的治疗策略至关重要。在"使用喷墨打印的单细胞来量化肿瘤内的异质性"的研究中,相关研究团队首次使用压电喷墨打印机(MicroFab)来分析膀胱癌的肿瘤内异质性。患者来源的肿瘤类器官被分离成单细胞悬浮液并用作生物墨水。通过按需喷墨打印将单个细胞精确分配到微孔板中,无需任何添加剂或处理,然后培养成类器官进行进一步分析。观察类器官的大小和形态,以及增殖和凋亡标志物的表达。肿瘤类器官也显示出对化疗剂的异质反应。此外,研究团队量化了两种类型的肿瘤类器官中代表性 luminal 和基底基因的 mRNA 表达水平。这些结果验证了各个类器官中各种基因的异质表达。该研究表明,全自动生物打印技术可用作对细胞进行分类以评估肿瘤内异质性的有效工具。(2020)

  • ▲ 细胞封装

    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)

  • ▲ 磁性脂质体微凝胶

    磷脂双层渗透性的可逆、温度依赖性变化已被用于控制封装的分子有效载荷从脂质体中的扩散速率。脂质体预装荧光染料并固定在海藻酸钙水凝胶微粒中,该微粒还含有氧化铁纳米颗粒。复合微粒通过按需喷墨方法生产。氧化铁纳米颗粒在暴露于射频 (RF) 交变磁场时局部散热的能力用于控制局部温度,因此使用射频线圈以非接触方式从脂质体扩散。实现了几种不同的释放模式,包括重复的按需发布。研究了复合藻酸盐-脂质体-磁铁矿微粒的内部结构,并确定了微粒浓度对加热速率的影响。为了达到脂质体膜熔化所需的温度升高,藻酸盐珠的浓度应至少为所用纳米颗粒浓度和比吸收率的最大填充密度的25%。(上右图:脂质体-藻酸盐-磁珠的光学(左)和宽场荧光(右)图像。通过喷墨技术获得的微凝胶珠的尺寸范围在40 ~ 80 μm之间。)(2013)

  • ▲ PLGA微球(紫杉醇)

    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15~100μm。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1.0m);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1m)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。

  • ▲ PLGA微胶囊(阿莫西林)

    相关研究团队在“利用微喷射技术制备阿莫西林微胶囊制剂”的研究中,以聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)为微胶囊壳材料,阿莫西林为模型,聚乙烯醇和双糖苷为表面活性剂,采用数字微喷射技术和直径40μm的玻璃喷头(MicroFab)制备阿莫西林-PLGA微胶囊。采用单因素分析和正交试验方法研究了微喷射系统参数对阿莫西林-PLGA微胶囊平均粒径和粒径分布的影响,即PLGA溶液浓度、驱动电压、喷射频率、搅拌速度等,得到了最优结果;还分析了微胶囊的形式表示。结果表明,在一定的实验药物处方条件下,驱动电压与粒径成正比;喷射频率与搅拌速度成反比。当PLGA浓度为3%,驱动电压为80V,喷射频率为10000Hz,搅拌速度为750rpm时,颗粒处于理想状态,平均粒径为60.246μm,包封率分别达到62.39%和2.1%用于载药。

  • ▲ 多层微球

    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。

  • ▲ 巨型单层囊泡(GUV)

    对参与生物过程(如内吞作用、胞吐作用和运动性)的关键分子成分的了解越来越多,这使得通过重构直接测试提出的机械模型成为可能。然而,目前从纯化成分构建越来越复杂的细胞结构和功能的技术在创造模拟真实细胞的物理和生化限制条件的能力方面受到限制。在“形成具有受控膜成分、不对称性和内容物的巨大囊泡”的研究中,相关研究团队提出了一种形成巨型单层囊泡的综合方法,同时控制(i)脂质组成和不对称性,(ii)定向膜蛋白掺入,以及(iii)内部内容物。作为这种方法的一种应用,研究团队构建了一个合成系统,其中膜蛋白被传递到巨囊泡的外部,模仿胞吐作用的各个方面。使用共聚焦荧光显微镜,研究人员观察到小的封装囊泡与巨型囊泡膜对接和混合膜成分,导致先前封装的膜蛋白暴露于外部环境。这种创建巨型囊泡的方法可用于测试依赖于受限体积和复杂膜组成的生物过程模型,并且可用于构建用于治疗和生物材料应用的功能系统。(上图为具有油不溶性脂质的巨型单层囊泡GUV是通过将SUV小单层囊泡掺入平面双层中,然后进行微流体喷射形成的。(A)使用定制的丙烯酸室通过MicroFab压电喷墨的微流体喷射形成巨大的囊泡。腔室安装在显微镜台上,喷墨装置从腔室侧面的端口插入。为了图像清晰,该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养含有具有油不溶性脂质(红色)的SUV的水滴。一个薄的丙烯酸隔板将两个水滴分开。(C)SUV在水滴内扩散,直到它们接触并融合到油/水界面,在每个水滴周围形成连续的脂质单层。去除薄的丙烯酸隔板允许两个液滴一起移动并排除它们之间的油。当两个脂质单层接触时,它们形成一个平面脂质双层。GUV是通过使用喷墨装置进行微流体喷射而形成的,该喷墨装置将平面双层变形为囊泡。喷墨的重复脉冲导致形成多个单分散囊泡。(D)TMR-PIP2通过这种方法被纳入GUV并通过共聚焦显微镜成像。比例尺,50μm。)(2011)

  • ▲ 单层脂质囊泡

    将大分子包裹在脂质囊泡中具有推动生物学发现和开发新型细胞样疗法和传感器的潜力。然而,快速可靠地生产大量装载不受限制和精确控制的内容物的单层囊泡需要新技术来克服现有方法的尺寸、均匀性和吞吐量限制。在这里,加州大学伯克利分校研究人员提出了一种使用喷墨打印机(MicroFab)以高达200Hz的速率进行囊泡形成和封装的高通量微流体方法。在“用于细胞样封装的单层脂质囊泡的喷墨形成”的研究中,研究团队展示了喷墨压电致动器的多个高频脉冲如何产生微流体射流,使双层脂质膜变形,控制单个囊泡的形成。脉冲数、脉冲电压和溶液粘度的变化用于控制囊泡大小。作为使用这种方法进行细胞样重建的第一步,研究人员封装了细胞骨架蛋白肌动蛋白,并使用共封装的微球在囊泡形成时跟踪其聚合成密集纠缠的细胞骨架网络。(2009)

  • ▲ 黑色素纳米颗粒薄膜

    黑色素是一种由黑色素细胞产生的天然生物色素,可以在大多数生物体中找到。黑色素独特的物理和化学特性使其可用于多种应用,尤其是那些需要生物相容性功能材料的应用。相关研究团队介绍了一项可以利用黑色素的重要技术:就生物相容性基质而言的药物递送系统。然而,从不同的生物来源中提取黑色素既昂贵又耗时,并且在化学结构、性质和功能方面引入了可变性。因此,使用生物提取的黑色素很难实现功能可重现的系统。在合成黑色素纳米颗粒的喷墨打印作为药物制剂的生物相容性基质的研究中,研究人员报告了可控均匀尺寸和化学特性的黑色素纳米颗粒的合成。通过光学共焦光致发光(PL)成像、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和Zeta电位法表征合成纳米粒子的光学、化学和结构特征。黑色素纳米颗粒具有100nm的尺寸和窄的尺寸分布。与本体颜料相比,纳米颗粒结构的优势在于其增强的表面积与体积比,这对于控制微观表面积至关重要的应用非常重要。使用喷墨打印技术(MicroFab Jetlab喷墨打印系统),研究人员开发了墨水浪费少的黑色素薄膜,并在其中加载了亚甲蓝(研究团队的代表药物),以测试黑色素纳米颗粒的载药能力。喷墨打印使他们能够创建具有精确沉积和少墨水浪费的光滑均匀薄膜。光谱分析证实了“药物”作为基质附着在黑色素纳米颗粒上。因此,研究人员的数据将黑色素识别为可集成到药物释放应用中的材料系统。(上图为载药前后喷墨打印和滴注法制备的黑色素纳米颗粒基薄膜的特性。(a)黑色素纳米颗粒薄膜在加载药物前后的紫外至近红外光吸收。研发人员使用亚甲蓝(MB)作为模型药物。MB在618nm和670nm处的特征吸收峰叠加在黑色素的宽带吸收上,证实了药物的成功加载。(b)薄膜照片也清楚地证实了载药量。黑色素膜的特点是呈褐色,而加载MB的黑色素膜呈蓝色。喷墨打印技术制备的薄膜的质量会影响需要均匀沉积方法的可靠药物输送系统的制造。如图所示,喷墨打印的黑色素和加载MB的黑色素薄膜明显比其他技术制备的薄膜更均匀。)(2020)

  • ▲ qPCR液滴阵列

    在“基于双喷墨打印的新型皮升液滴阵列,用于并行实时聚合酶链反应”的研究中,相关研究团队开发并表征了一种新型皮升油滴阵列,该阵列通过双喷墨打印方法在专为定量聚合酶链反应(qPCR)分析而设计的均匀疏水硅芯片上生成。提出了双喷墨打印以有效解决在平面基板上阵列生成过程中皮升液滴的蒸发问题,而无需加湿器或甘油的帮助。该方法利用压电喷墨打印设备(Jetlab®4喷墨打印系统)将试剂液滴精确喷射到油滴中,油滴首先分配在疏水和疏油基材上。在阵列制造和热循环过程中没有观察到蒸发、随机移动或交叉污染。该研究团队证明了这种新型双喷墨方法用于实时PCR分析的可行性和有效性。这种方法可以很容易地产生体积变化范围从皮升到纳升的多体积油滴阵列。此功能对于针对宽和可调动态范围的同时多体积PCR实验很有用。这些基于双喷墨的皮升液滴阵列可能具有多路复用应用的潜力,这些应用需要用于单细胞培养、单分子酶测定或数字PCR的隔离容器,并为在平面基板上生成液滴阵列提供了一种替代选择,而无需化学图案化。(上图左侧为在二氧化硅固体载体上通过双喷墨打印制备皮升油包油阵列的示意图和明场图像。(a)油滴阵列形成。(b)PCR混合物分配在第一个油微阵列上以产生液滴油阵列。(a)和(b)的下部显示了油和油中液滴阵列的顶视图。(c)二氧化硅基板上油阵列的明场立体显微图像。插图:展开视图。(d)在(b)中制造的油滴阵列的明场立体显微镜图像。插图:扩展视图。比例尺:500μm。)(上图右侧为工艺示意图,在 (a) 中,使用2nL矿物油液滴生成4x5阵列。(b)显示了将800pL含有用作被动参考的ROX染料的PCR试剂添加到油滴中后的相同液滴。在(c)中,通过微量移液器注入过量的矿物油,直到液滴阵列被完全覆盖。 最后,在(d)中,将用盖玻片密封后的芯片放置在热循环仪上以进行40个循环的并行实时PCR。比例尺:500μm。)

  • ▲ ddPCR油包水微滴

    微滴数字PCR(droplet digital PCR, ddPCR)主要是将两种互不相溶的液体,以其中一种作为连续相(油),另一种作为分散相(水),在水/油两相表面张力和剪切共同作用下分散相以微小体积单元的形式存在于连续中,从而成液滴。这种液滴式的反应腔室具有体积小、样品间无扩散等优势。 在ddPCR中,利用微液滴发生系统可以一次生成数万乃至百万个纳升甚至皮升级别的单个油包水微滴,作为数字PCR的样品分散载体。 上图是使用MicroFab的Jetlab®4喷墨打印系统,以30kHz的频率,在油槽的液面下方,喷墨打印水相溶液,形成了稳定的直径45μm左右的油包水微滴,一致性好,排列整齐。(睿度光电2021高通量ddPCR油包水微滴打印测试)

  • ▲ 单层均匀聚合物颗粒

    乳液溶剂蒸发是一种成熟的方法,用于从分散在水性介质中的挥发性有机溶剂中的聚合物溶液生成微粒。这种方法也可用于通过喷墨打印(MJ-ABP-01,MicroFab)沉积颗粒,其中颗粒是在基材上的液体油墨干燥过程中形成的。然而,粒度分布非常宽。在"通过喷墨印刷由微流体产生的单分散乳液制备单层均匀聚合物颗粒"的研究中,研究团队证明了由微流体产生的水包油乳液的喷墨打印可以产生具有窄尺寸分布(变异系数<6%)的微米级颗粒,并且这些颗粒可以自组装成具有六角形堆积的有序阵列。探索了在哪些条件下可以打印液滴,而乳液中的油滴的破裂和聚结最少。描述了影响颗粒大小和沉积物形态的因素。本研究使用二氯甲烷中的聚苯乙烯作为模型系统,但该方法可以推广到结构化和功能性颗粒的生产。(2019)

  • ▲ 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25-100μm (10pL-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)。

  • ▲ 粘合剂(点胶)

    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。

  • ▲ 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(MicroFab)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)

  • ▲ 个性化药物制备

    按需喷墨 (DOD) 喷墨打印(MicroFab)允许精确沉积皮升 (pL) 大小的含有无机和有机材料的溶液液滴,以支持美国国家标准与技术研究院(NIST)的各种关键程序。在其中一个项目中,他们正在探索使用喷墨打印机作为制备个性化药物的方式的可能性,重点是根据患者的需要,结合患者的需要,在正确的时间以正确的剂量制备“正确的药物”。方便实时准备。这当然需要用于表征和验证的工具,而喷墨打印机目前协助为成像质谱仪等高级表面分析工具准备定量测试材料。 研究团队开发了量化和控制沉积过程的专业知识,并将这些知识应用于将药物成分直接打印到多种递送机制上(例如,上图 显示了可食用纸上NaCl的打印图案。 (a) 将水性“墨水”沉积在疏水表面上以控制足迹,以及 (b) 使用成像质谱仪生成的2D化学图像,显示打印在可食用纤维素纸上的Na+离子的分布。喷墨打印机上的线性致动器的运动增量为1µm。图像尺寸为10mm×10mm)。使用一系列光学和质谱技术,他们已经证实了大量药物和药物的空间局部沉积,其数量高达毫克 (mg) 水平。

  • ▲ 3D制药

    需要新的策略来制造用于个性化医疗应用的定制口服固体剂型。3D制药,即直接打印药片,是一种有吸引力的策略,因为它允许快速生产包含定制药物剂量的固体剂型。在“用于亲水性药物喷墨3D制药的光固化生物墨水”的研究中,报告了适用于亲水性活性药物成分(API)的用于喷墨3D打印的生物相容性光固化药物聚合物的设计和表征。具体而言,透明质酸被降冰片烯部分官能化,在聚(乙二醇)二硫醇、作为光引发剂的曙红Y和可见光源的存在下,通过硫醇-烯化学进行快速的逐步增长聚合反应。工程生物墨水装载有盐酸罗匹尼罗,通过压电喷嘴(MJ-ABP-01-080,MicroFab)分配到空白预成型片剂上,然后聚合。片剂的药物释放分析导致在片剂溶解后15分钟内释放60%。该研究通过沉积专为亲水性API设计的可光固化生物墨水,证实了喷墨打印在快速生产片剂方面的潜力。(2017)

  • ▲ 原位制备聚合物微胶囊

    杜伦大学Colin Bain教授课题组在“In-Situ Fabrication of Polymeric Microcapsules by Ink-Jet Printing of Emulsions”的研究中,通过将喷墨打印技术和乳液-溶剂蒸发相结合的方法实现在一个表面原位形成聚合物微胶囊。在喷墨打印技术中,材料颗粒大于μm级的悬浊液非常容易产生喷头堵塞的问题,华中科技大学的邓仁华老师通过制备聚合物微胶囊的方式,解决了该问题,实现了将大颗粒的材料顺利打印的工作。 目前,制作聚合物微胶囊的方法包括:凝聚的聚合物或聚合乳液液滴的界面、吸收聚合物或表面聚合固体模板(粒子)、双乳状液的蒸发和内心在乳液液滴相分离等,每种方法都有其局限性,而通过与喷墨打印结合,可以实现均匀的双乳状溶液,将材料预先溶解在易挥发的溶剂中,通过改变微滴初始尺寸和聚合物浓度等方法可以控制包封效率、微胶囊的尺寸和壳层厚度,并且在定向位置原位形成微胶囊,由此避免了运输和储存期间材料的损失。 乳液溶剂蒸发驱动相分离可用于制备聚合物微胶囊。油墨是一种水包油乳液,其分散相中含有形成壳的聚合物、形成核的流体,这是一种对聚合物来说较差的溶剂,也是一种低沸点的好溶剂。乳液印刷到基材上后,好的溶剂通过水相扩散蒸发,聚合物与差的溶剂相分离形成微胶囊。连续的水相含有聚乙烯醇,它作为乳化剂和胶囊与基质的粘合剂。均匀的微胶囊是通过打印含有单分散油滴的乳剂在微流控装置中产生的。本文讨论了在喷墨打印中成功制备微胶囊需要控制的物理参数。这种快速原位包封的方法可用于控制释放的应用,如农用化学品喷雾剂、芳香剂、功能涂层和外用药物。 聚合物微胶囊作为一种容器/载体可用于自愈合涂层,传感器,相变材料,药物和农药的控释,压力敏感开关,显示器或智能窗口,光学材料,酶固定化,和芳香剂。微胶囊可以保护活性物质免受环境危害(如潮湿、氧化),从而延长保质期。微胶囊允许药物以可控的方式释放,这可以提高它们的疗效,降低成本和副作用。此外,封装可以安全处理有毒化学物质(如杀虫剂),并允许液滴作为固体处理或嵌入固体基质中。目前,制作聚合物微胶囊的方法包括凝聚的聚合物或聚合乳液液滴的界面、吸收聚合物或表面聚合固体模板(粒子)、双乳状液的蒸发和内心在乳液液滴相分离。每种方法都有其局限性,不同的方法针对不同的应用进行优化。 该研究通过将喷墨打印(MicroFab微液滴发生系统,MJ-ABP-01,喷头口径50μm)和乳液-溶剂蒸发相结合的方法在目标位置原位形成聚合微胶囊,避免了运输和储存过程中货物的损失,其机理如下图所示。其中,能够产生微胶囊而不是固体颗粒关键在于喷墨时短时间尺度内水滴的蒸发。 (2019)

  • ▲ 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。 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(10-200μm),可通过聚集产生更大的体积。2、连续变化:单个滴(1pL-10nL)的极小尺寸几乎会产生总(累积)量的连续变化。

  • ▲ 用于高级表面分析工具的定量测试材料

    通过控制沉积过程,可以调整关键参数,如空间分布、粒度和分析物的数量,以生产测试材料,以验证NIST各种表征工具的有效性。在一个例子中,将不同数量的不同大小的金纳米粒子打印到明胶上(上图,(a)ToF-SIMS图像显示含有不同数量金纳米颗粒的测试材料喷墨打印到明胶上,以及(b)校准曲线与(30、80、100和150)nm 金纳米颗粒的质量相关金离子的强度。),明胶被选为生物系统的基质匹配替代品。使用ToF-SIMS可以获得线性关系,这表明即使是无机颗粒也可以使用这种技术进行量化,每个沉积物的毒理学相关浓度为几个(飞克)到数千个纳米颗粒(皮克)。这表明使用这种方法也可以量化束缚在纳米颗粒上的药物成分。

  • ▲ 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。

  • ▲ 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MicroFab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。MicroFab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。

  • ▲ 癌症微组织阵列

    通常,使用2D培养的癌细胞和动物模型来评估候选药物。然而,尽管临床前测试成功,但大多数进入人体临床试验的药物都失败了。高故障率主要是由于当前模型的响应与人类的不兼容造成的。在“通过喷墨打印在成纤维细胞层纳米纤维膜上制造体外癌症微组织阵列”的研究中,相关研究团队通过喷墨打印(MicroFab 高精度纳米材料沉积喷墨打印系统 Jetlab®Ⅱ)在成纤维细胞层状纳米纤维膜上连续沉积胶原蛋白悬浮的Hela细胞,以多孔格式制造了一种癌症微组织阵列,该阵列显示出异质和批次间的结构。基质金属蛋白酶2(MMP2)和基质金属蛋白酶9(MMP9)在癌症微组织中的表达高于无成纤维细胞的微组织。用抗癌药物处理制造的微组织,在癌症微组织中出现对多柔比星的高耐药性,但在无成纤维细胞的微组织中没有。这些结果介绍了一种用于癌症微组织阵列的喷墨打印制造方法,该方法可用于各种应用,例如早期药物筛选和渐进式3D癌症研究。(2017)

  • ▲ 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)

  • ▲ 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。

  • ▲ 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)

  • ▲ 牙科屏障膜(再生丝素膜)

    目前市售的口腔外科屏障膜尚未达到完美的设计。现有的材料要么是不可吸收的,需要二次手术来提取,要么是可吸收的,但结构完整性差或降解为酸性副产物。蚕丝有克服这些问题的潜力,但尚未制成市售的牙科屏障膜。反应喷墨打印 (RIJ,该研究使用JetLab4软件在MicroFab按需喷墨式压电喷墨打印机上进行喷墨打印) 已被证明是一种将再生丝素蛋白 (RSF) 形式的蚕丝组装成不同结构的合适方法。在用作牙科屏障膜的再生丝素膜的反应喷墨打印的研究中,相关科研团队确定了RIJ的RSF溶液的特性以及RIJ对构建RSF屏障膜的适用性。打印的RSF薄膜的特征在于它们的结晶度和表面特性,这些特性可以通过RIJ进行控制。在磷酸盐缓冲盐水或蛋白酶XIV溶液中降解的RSF膜具有与RSF结晶度相关的降解速率。包含纳米羟基磷灰石(nHA)的RSF薄膜也被打印了。由于反应性喷墨打印可以控制RSF的结晶度,从而控制其降解率,并提供结合生物活性nHA夹杂物的能力,因此反应性喷墨打印被认为是RSF加工和牙科屏障膜生产的合适替代方法。(上图为RSF薄膜的光学显微镜照片:(a)100%、(b)75%、(c)66%、(d)50%、(e)33%和(f)25%。每张胶片旁边都有一张放大倍数更高的胶片照片。箭头用于突出显示更高放大率照片中的裂缝。)

  • ▲ 3D水凝胶微结构

    相关研究团队使用微反应喷墨打印实现了独立式3D水凝胶微结构。反应喷墨打印作为一种多材料制造工艺具有广阔的前景,因为它具有定制化、小型化和精确控制用于图案化的液滴的独特优势。对于水凝胶结构的喷墨打印,将水凝胶前体(或交联剂)打印到交联剂(或前体)浴或基材上。然而,使用喷墨打印技术对复杂水凝胶结构进行图案化和设计的进展受到凝胶化和运动控制之间不稳定相互作用的限制。因此,通过使用海藻酸盐作为模型系统,应用微反应喷墨打印(MRIJP)(配备有2个直径60μm的MJ-ATP-01喷头)来展示水凝胶微结构的自发3D打印。此外,用于MRIJP技术的毛细管数-韦伯数内的可打印窗口证明了速度对实现空中二元液滴碰撞的重要性。最后,系统分析表明,随着时间的推移,水凝胶的结构和扩散系数是影响打印水凝胶形状的重要因素。基于对水凝胶MRIJP的这种基本理解,可以控制水凝胶的制造过程和结构,并适用于任何低粘度(<40cP)反应油墨的2D/3D微结构打印,具有代表性的组织模拟结构是在这项工作中提出的〜200μm直径的空心管。

  • ▲ 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)

  • ▲ 活性生物材料软结构打印

    Yong Huang博士的团队在佛罗里达大学盖恩斯维尔分校和MicroFab Technologies之间的 NSF GOALI合作下所做的工作出现在增材制造的第31卷中。该研究题为“液体吸收系统辅助交叉喷射打印活性生物材料的软结构”。这种用于生物3D打印的新方法避免了在沉积前预先混合反应成分。通过使用两个相交的喷射打印,分别分配的活性材料,在空气中相互碰撞和混合,然后降落在先前沉积的层上。使用海藻酸钠和氯化钙墨水的交叉喷射打印,成功打印了不同的3D结构,实现了2.5高径比。这种打印技术在打印3T3细胞时不会影响打印后的细胞活力,展示了其在生物打印应用中的巨大潜力。

  • ▲ 分离亚稳态多晶型物

    喷墨打印(Jetlab® 4XL-A喷墨打印系统)用于将甘氨酸水溶液的皮升量级液滴沉积到玻璃或铝基板上,发现体积限制对晶体生长的影响导致形成高度亚稳态的ß形式。当液滴体积增加到0.1uL或更大时,会在咖啡环形成中看到α和ß形式的混合物。当液滴体积增加到10uL时,在环的主体中形成针状ß晶体,在空气-水界面的外边缘形成双锥体a晶体。ß形式在环境条件下稳定至少6周。观察结果表明,当限制在小体积时,甘氨酸会成核并保持稳定的ß形式,因为在纳米尺度上,ß形式是热力学稳定的。随着液滴体积的增加和对晶体生长的限制减少,α形式在热力学上变得稳定,因此发生相变,这可能是由溶剂介导的机制促进的。喷墨打印皮升液滴可能为分离亚稳态多晶型物提供新途径。

  • ▲ SERS基底

    在生物传感领域,喷墨打印代表一种低成本图案化的制备工艺,该技术可用于制备SERS基底。意大利都灵理工大学Novara教授课题组曾利用Jetlab®4 xl压电喷墨打印机,成功开发出高性能的表面增强拉曼基底,其对染料分子的检测限可达皮摩级。利用位于颗粒之间的热点区域获得了巨大的拉曼增强效果(EARE>108)​。(上图为多孔硅上的银纳米颗粒图案。图案化样品的FESEM图像。显示了喷墨步长对条纹均匀性的影响:(1) 130 dpi、(2) 260 dpi、(3) 1,000 dpi 和 (4) 1,300 dpi。)

  • ▲ 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。

  • ▲ 3D打印微型冰结构

    卡内基梅隆大学的研究人员开发了一种3D打印微型冰结构的方法,该方法可用作牺牲模板,在其他部分形成复杂的通道。这种“由内而外”的3D打印过程涉及将水滴喷射到定制平台上,在 -31°F 的温度下着陆时能够将其冻结。然后可以将这些光滑、无支撑的冰雕浸泡在树脂中并固化,以将它们融化,留下具有复杂内部通道的零件。该技术未来可广泛用于先进制造业和生物医学工程。(上图为:自由形态的冰打印(3D-ICE)。A) 定制的3D打印系统及其主要部件,包括冷却系统、运动台、压电喷嘴。B) 压电喷墨喷头(MicroFab,直径=50微米)用于将水滴喷射到保持在-35°C的冷构建平台上。构建平台的平面(X-Y)运动与水滴排放同步进行,以打印复杂的冰的几何形状)(2022)

  • ▲ 生物气溶胶液滴(评估气溶胶液滴群中细菌的空气传播存活率)

    感染的空气传播依赖于病原体在宿主之间传播时在气溶胶运输中存活的能力。了解决定空气传播微生物存活的参数对于减轻疾病爆发的影响至关重要。用于体外研究生物气溶胶寿命的传统技术具有系统性限制,无法准确表示这些颗粒在自然环境中会遇到的条件。相关研究团队报告了一种新方法,可以对生物气溶胶存活率作为相关环境条件的函数进行稳健的研究。该方法使用按需液滴技术(MicroFab的MJ-ABP-01喷头,孔口直径30μm)来生成具有定制化学和生物成分的生物气溶胶液滴(每次试验1到100个以上)。这些液滴阵列被电动陷阱捕获并悬浮在受控环境室内。然后在所需的悬浮时间(小于5秒到大于24小时)后将液滴沉积在基板上。随后可以通过在沉积后24小时计算菌落形成单位来确定细菌对雾化的反应。在第一项研究中,由初始半径为27.8±0.08µm 的大肠杆菌MRE162细胞 (108ml-1) 悬浮液形成的液滴在30%的相对湿度下产生并长时间悬浮。在延长至1小时的时间段内测量存活率的时间依赖性。研究人员证明这种方法可以直接研究空气生物学、大气化学和气溶胶物理学之间的界面,以确定可能影响空气传播病原体存活的因素,目的是为公共卫生和生物防御应用制定感染控制策略。 上图(a)是CELEBS(受控电动悬浮和提取生物气溶胶到基质)装置主要组件的展开图。(b)是CELEBS操作示意图。(c,d)是相同生物气溶胶群体悬浮和初始沉积的连续特写图像。与由施加到环形电极的交流波形驱动的液滴的振荡运动相比,由于相机的快门速度较慢,悬浮液滴显示为线条。

  • ▲ 生物气溶胶液滴(评估控制病原体空气传播寿命的潜在机制)

    了解影响气溶胶中SARS-CoV-2等病毒在空气中存活的因素对于确定传播途径以及各种缓解策略对预防传播的价值非常重要。布里斯托大学相关研究团队使用一种新型仪器在5秒到20分钟的时间范围内测量SARS-CoV-2在气溶胶液滴(约5-10µm平衡半径)中的稳定性,以探测少量液滴(通常为5-10)含有∼1个病毒/飞沫。空气传染性变化的测量与含有病毒的空气飞沫的详细物理化学分析相结合。在20分钟内观察到SARS-CoV-2的传染性降低至起始值的10%,其中大部分损失发生在雾化后的前5分钟内。发现最初的传染性损失率与平衡液滴的物理转变有关;液滴中的盐在RH低于50%时结晶,导致50-60%的病毒几乎立即丧失传染性。然而,在90% RH下,液滴保持均匀和水性,并且病毒稳定性在前2分钟内保持不变,在此之后,它会在10分钟后衰减至仅10%保持传染性。在高RH下传染性的丧失与液滴的pH值升高一致,这是由液滴内的碳酸氢盐缓冲液中的CO2挥发引起的。比较了SARS-CoV-2的三种不同变体,发现在高相对湿度和低相对湿度下都具有相似程度的空气传播稳定性。 (上图为实验方法。(A) 当空气中的水滴与周围的相对湿度平衡时发生的物理变化示意图。在左侧(蓝色框),颗粒是水性均匀球体。当颗粒平衡到低于饱和的RH时,低溶解度的溶质会沉淀出液滴内的夹杂物(黄色框)。在足够低的RH下,主要溶质 (NaCl) 会结晶,导致颗粒风化(黑框)。(B) CELEBS技术示意图。含有病毒的颗粒在受控条件下悬浮,然后沉积到培养基中,然后将其铺板到细胞培养物上。通过枚举该沉积物的细胞病变效应,可以量化存在的病毒量。(C) CK-EDB技术示意图。由CELEBS中使用的相同液滴分配器(MicroFab 皮升级微液滴发生系统)产生的粒子在激光路径中的受控条件下悬浮。通过分析该粒子散射的光来研究该粒子中发生的物理变化。)(2022)

  • ▲ 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半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。 MicroFab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)。

  • ▲ 两个正交喷射染料梯度 - 随数量变化

    通过改变每个位置沉积的流体量获得的正交梯度。每个点的流体体积沿箭头方向增加。(MicroFab)

  • ▲ 液滴直接写入可交联的流体中

    在“直写微孔聚合物结构——打印、捕获和释放”的研究中,英国剑桥大学相关研究团队展示了一种突破性的流体对流体模板方法,该方法能够快速制造功能性、结构化的聚合物薄膜,使这些应用变得可行和可扩展。在主体内或弹性体基质表面上挤出流体已被开创性地以显示以宏观模式捕获和控制功能材料的能力。受BF方法的启发,研究团队利用按需喷墨 (DoD) 喷墨打印的高度可控、可调节、直接写入优势,将微米级液滴可控地打印到流体表面,如图所示。表明,与最初的BF方法相比,该工艺提供了更高的稳定性、更好的聚结控制、对液滴堆积的新控制以及将结构压印到无溶剂生物相容性交联聚合物材料中的能力。功能材料打印(如图 (b) 所示)意味着可以显着改善图案化并扩大功能材料传递到聚合物薄膜、捕获和释放聚合物薄膜的范围(图 (c)),并且可以很好地控制孔体积或结构(图(d)和(e))适用于广泛的应用。

  • ▲ 经皮给药贴剂微针

    药物递送应用已经出现在通过透皮贴剂递送活性成分方面,该贴剂可以维持药物的长时间释放以达到最佳血液浓度。通过皮肤的药物输送受到皮肤外层的强屏障特性的限制,因此贴片配置配备了微针。这些微针已被采用以微创和无痛的方式将药物输送到屏障层。不同的综述微针配置表明它们可以具有圆柱形、圆锥形和金字塔形,并且可以是中空的,形成可以装载药物的口袋。外部尺寸范围为0.2至0.5mm,内部尺寸范围为0.1至0.26mm。活性成分(药物、DNA、蛋白质或任何其他生物活性分子)可以涂在微针的外表面上或沉积在微针中微针的中空区域,可以作为药袋/储液器。储存器方法更有吸引力,因为它可以防止药物在插入皮肤过程中被擦掉。将药物加载到微针上仅限于浸涂。只要所有的针头都涂有相同的溶液,这个程序是可以接受的。也可以通过浸涂填充针的中空部分,但会产生不均匀的负载。由于微针的尺寸、形状和分布,使用喷墨填充也非常适合该应用。除了每个针的活性元素的准确剂量外,喷墨的另一个好处(通过单独的靶向)是每个微针可以定制填充不同数量甚至不同的药物。上图描绘了通过喷墨(MicroFab的Jetlab®Ⅱ喷墨打印系统)填充含有荧光染料的聚合物溶液的锥形孔的图片。这些孔是圆锥形的,顶部直径为90μm,底部直径为30μm。沉积的溶液量从上到下增加,荧光染料溶液分配在奇数行(第1行14滴,第3行12滴,第5行8滴)。因此底行中染料的强度更高。

  • ▲ 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(通常为ßHCg和一种对照)。Abbott TestPack™也可用于链球菌和药物滥用测试。

  • ▲ 用于多色表面等离子共振成像的蛋白质微阵列

    相关研究团队报告了一种利用表面等离子体共振色散作为一种机制来为薄膜分子薄膜成像提供多色对比度的技术。由于表面等离子激元的激发和对源光特定波长的吸收,在Kretschmann配置中用p偏振白光照射金表面会产生不同的反射颜色。此外,这些颜色会随着分子薄膜的形成而变化。该过程代表了一种简单的检测方法,用于区分传感器应用中不同厚度的薄膜。例如,该研究团队研究了由商用按需化学喷墨打印机(Jetlab®Ⅱ高精度喷墨打印系统)形成的蛋白质微阵列。用这种方法很容易检测到测试蛋白质(牛血清白蛋白)的亚单层膜。色散关系和吸光度灵敏度的分析说明了该系统的性能和特点。在红色波长与表面等离子体耦合的角度处实现了更高的检测灵敏度。然而,当入射角使得较短的波长与表面等离子体耦合时,对比度和空间分辨率就会得到改善。简化的光学器件与强大的微阵列打印平台相结合,用于证明该技术作为一种快速、多功能、高通量工具的适用性,可用于吸附薄膜和大分子的无标记检测。

  • ▲ 用于MALDI MS的样品制备

    从2D PAGE凝胶转移的PVDF膜上的柯马西蓝染色蛋白质。左边的插图显示了已经用胰蛋白酶的喷墨(MicroFab)微沉积处理的点(直径200-300μm),以获得对感兴趣的蛋白质点的微量消化。然后在微尺度消化完成后,将基质材料喷墨微沉积到点上。然后将蛋白质印迹转移到 MALDI-TOF质谱仪中,在肽质量指纹识别过程中进行分析,以进行蛋白质鉴定。也可以以类似的方式对感兴趣的蛋白质点进行多重内蛋白酶消化。使用第二种蛋白酶不仅独立地确认了蛋白质身份,而且组合的肽质量指纹增加了序列覆盖率。

  • ▲ 结构基因组学(蛋白质结晶)

    膜蛋白的结晶筛选通常无法产生衍射质量的晶体。结晶膜蛋白的困难可归因于窄的亚稳态溶解区域和纯化蛋白的稀缺。这些问题的解决方案是使用更小的筛选体积来减少蛋白质消耗,从而最大限度地提高晶体生长条件下的采样效率。喷墨分配是一种可靠地输送从皮升到微升的小体积的技术,后者是通过吸积来实现的。MicroFab的晶体筛选平台可在微批量和蒸汽扩散模式下操作,以提供实验灵活性。已经开发了一种八通道抽吸和分配模式,用于沉积体积从皮升到100纳升的结晶/沉淀剂溶液。一次性喷墨分配器用于将蛋白质溶液叠印到结晶/沉淀剂液滴中。在新型蛋白质-配体复合物共结晶研究和小体积比筛选过程中,叠印可以将超低体积液滴添加到较大液滴中。该平台包括板封口机、冷冻结晶板架和温度/环境控制。MicroFab的这一平台的操作已在结晶筛选实验中使用对照和膜蛋白进行了证明。

  • ▲ 生物相容性酶驱动丝微型火箭

    喷墨打印(MicroFab)的酶驱动丝基微型火箭能够在各种流体环境中进行自主运动,包括人血清等复杂介质。通过数字喷墨打印,可以简单地改变催化剂分布并产生这些微型火箭的不同轨迹行为。这些微型火箭由含有酶的丝质支架制成,具有高度的生物相容性和非生物污染性。

  • ▲ 金属纳米粒子打印

    金属纳米粒子的热等离子体效应产生的局部热量在生物医学工程研究中具有巨大的潜力。使用喷墨打印对纳米颗粒进行精确图案化可以以良好控制的方式(形状和强度)应用热等离子体效应。然而,缺少普遍适用的喷墨打印工艺,该工艺可以很好地控制具有良好生物相容性的纳米颗粒的图案化和组装。在“用于图案化神经调节的喷墨打印生物功能热等离子体接口 ”的研究中,相关研究团队开发了一种基于喷墨打印(MicroFab, MJ-AT 01)的生物功能热等离子体界面,可以调节生物活动。他们发现,通过诱导接触线钉扎和静电辅助纳米粒子组装,在聚电解质逐层基板涂层上喷墨打印等离子体纳米粒子能够在各种基板(刚性/柔性、疏水/亲水)上实现高质量的生物相容性热等离子体界面。研究人员通过实验证实,喷墨打印的热等离子体图案产生的热量可以在大面积上以微米分辨率应用。最后,研究团队证明了喷墨打印的金纳米棒的图案化热等离子体效应可以选择性地调节神经元网络活动。因此,这种喷墨打印工艺可以成为各种生物工程应用中生物功能热等离子体界面的通用方法。

  • ▲ 用于组装PEN生物传感器的喷墨打印通孔

    为了在PEN基板上的金焊盘和PCB基板上的金焊盘之间建立连接,开发了两种独立的技术。第一项技术涉及使用喷墨打印导电油墨来定义通孔。第二种技术使用引线键合。上图描绘了PEN MEA的喷墨打印封装工艺示意图(喷墨打印工艺流程:(a)将PEN生物传感器“芯片”连接到 PCB;(b)PEN的紫外激光微加工以形成通孔;(c)通孔的喷墨打印。制造结构(d)的光学和SEM显微照片描绘了在顶部之前和在底部喷墨打印之后的通孔。)。第一步是定义PEN基板中的过孔。通孔定义是利用紫外激光微加工完成的。在此特定步骤中使用了工作在248nm的准分子激光器。它是这种工艺的绝佳工具,因为它可以用来选择性地烧蚀在厚金属上停止的PEN。在该过程中使用了频率为90Hz的200mJ激光脉冲。此外,使用1000个50%透射率的脉冲来烧蚀PEN材料。一旦通路被烧蚀,研究团队就使用了MicroFab的Jetlab®II喷墨打印系统,它是一种桌面喷墨微点胶装置,非常适合非接触式打印多种材料,包括导电环氧树脂。 UTDAg导电银纳米墨水用于此打印过程。研究团队以600Hz的频率打印50个点/通孔的UTDAg纳米墨水,以通过PEN基板的厚度(约125µm厚)实现导电性。上图d描绘了打印路径的光学和SEM显微照片。使用此配方,研究团队能够为在此过程中开发的每个设备实现约85%的互连电导率。

  • ▲ 药物释放系统微型药筒

    维克森林再生医学研究所相关研究团队开发了一种基于像素的药物释放系统,该系统由几个微型药筒组成,能够释放准确的剂量并将药物保持在治疗窗口内。为了实现考虑靶向剂量的个性化药物的目标,可以使用单个或多个微型药筒来释放药物。此外,具有单个像素的延时释放级联可以将药物保持在治疗窗口内,同时延长其活性持续时间。为了获得高质量、剂量控制和精确给药,需要准确预测每个微型药筒释放的药物量。因此,可以优化特定时间内的总释放量和所涉及的微型药盒的数量。研究团队建立了一个模型,将他们的电压触发药物释放系统类比为电容器,并以数学方式确定每个微型药筒的释放量。该模型预测该过程可以使用指数函数进行拟合。指数拟合的特征时间用于推导每种药物要校准的预测公式。该团队已经表明,校准后,可以预测每个微型药筒的不同药物和各种初始负载的释放;因此,可以根据每个患者的需要实现剂量释放。(上图为使用MicroFab的Jetlab喷墨打印系统喷墨打印的微型药筒,包括电活性层和药物,位于透明导电表面上,用于创建基于像素的药物释放系统)

  • ▲ 可溶性微针(DMN)

    可溶性微针(DMN)贴片是用于经皮递送疫苗的新型剂型。DMN通常通过将液体制剂分配到微针形模具中来制造。然后干燥模具内的液体制剂以产生可溶解的载有疫苗的微针。分配过程的精度对于控制装入每个可溶解微针结构的制剂体积至关重要。所采用的分配过程必须保持疫苗的完整性。分配配方对模具表面的润湿也是制造尖头DMN的重要考虑因素。尖端的DMN对于易于经皮给药至关重要。在“使用压电点胶技术制造可溶解微针”的研究中展示了压电分配系统(MicroFab定制)将picolitre配方体积分配到PDMS模具中的能力,从而能够制造双层DMN。描述了配方成分(海藻糖和聚乙烯醇 (PVA) 含量)和压电驱动参数(电压、频率和背压)对液滴形成的影响。研究了分发后季节性流感疫苗的生物完整性,并保持了30V的电压设置,但在50和80V的较高设置下受到破坏。结果证明了压电分配技术(MicroFab)能够精确制造双层DMN。他们还强调了确定配方和驱动参数以确保可控的液滴配方和疫苗稳定性的重要性。(通过压电点胶步骤制备双层DMN:确定了驱动参数和液体配方的组合,产生稳定的单分散液滴流并保持疫苗完整性,压电分配被评估为双层DMN制造中的一个步骤。为了证明压电点胶技术可以为DMN制造带来精确控制,通过将 30% (w/v) 海藻糖(含和不含 1% (w/v) PVA 的配方)喷射到模具中以制造DMN尖端来制造双层DMN(上左图,上右图)。刚果红被添加到这些配方中,以使尖端配方与制造的DMN中的背衬层形成对比。通过控制分配到模具孔中的液滴数量来制造具有不同尖端体积的双层DMN。在分配尖端形成和干燥后,添加背衬层并从模具中取出 DMN。)(2015)

  • ▲ 气管支架镁合金聚合物涂层喷涂

    在“Direct Writing of Polymeric Coatings on Magnesium Alloy for Tracheal Stent Applications”的研究中,北卡罗莱纳农工州立大学相关研究团队研究了在镁合金表面沉积多层可生物降解聚合物涂层的直写喷墨方法(使用定制的直写喷墨装置MicroFab Jetlab®4)。对聚乳酸-乙醇酸共聚物 (PLGA)、聚己内酯 (PCL) 和聚酯氨基甲酸酯脲 (PEUU) 涂层进行了浸泡研究,以根据不同样品的不同降解特性确定其腐蚀行为。使用电感耦合等离子体光谱,从聚合物涂层样品中观察到镁离子浓度的降低,这表明与未涂层的镁基材相比,腐蚀速率较低。通过分别评估炎症和毒性的关键生物标志物环氧合酶 2 (COX-2) 和乳酸脱氢酶 (LDH),研究结果还显示了镁离子的释放与完全分化的正常人支气管上皮 (NHBE) 细胞的健康之间的相关性. COX-2 基因表达的诱导与镁暴露的增加成正比。此外,基于 NHBE 细胞的良好响应,未包覆和 PCL 聚合物包覆样品释放的较高镁含量导致 LDH 活性降低。 PEUU 和 PLGA 聚合物涂层提供了良好的阻隔层腐蚀保护。本研究评估候选聚合物涂层作为治疗剂和阻隔层的来源,以控制用于气管应用的镁合金的腐蚀。(上左图:环氧树脂浇注镁合金的沉积模式示意图,单个涂层由沉积光栅图案的液滴组成,以形成重叠的线图案,以均匀地涂覆样品的所需基材区域;上右图:在不同的时间点,涂覆PCL聚合物的样品在Mg-NHBE细胞界面上有气体释放。)(2014)

  • ▲ 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100ug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0.6ug。在137ug剂量下,在1.8ug 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。

  • ▲ 球囊导管药物喷涂

    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。

  • ▲ 球囊导管药物喷涂

    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。

  • ▲ 药物洗脱人工晶状体(IOL)

    白内障是导致视力障碍的主要原因,而后囊膜混浊(PCO)是现代白内障手术最常见的远期并发症,可导致术后严重的视力障碍。生长因子和细胞因子刺激残留晶状体上皮细胞(LECs)的增殖、迁移和上皮间质转化(EMT)是PCO发生发展的关键病理机制。浙江大学相关研究团队在“溴芬酸缓释药物洗脱人工晶状体治疗后囊膜混浊”的研究中,表明,非甾体抗炎药(NSAID)溴芬酸能够有效抑制细胞迁移、EMT标志物的过度表达,如纤连蛋白(FN)、基质金属蛋白酶2(MMP2)、α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)和转录因子Snail,体外。溴芬酸对 TGF-β2 诱导的 EMT 的抑制作用也在使用人前囊的原代晶状体上皮细胞模型上得到验证。此外,基于超声波喷雾技术(RUIDU 超声雾化喷涂系统),研究团队开发了一种药物洗脱人工晶状体(IOL),该人工晶状体使用具有持续溴芬酸释放能力的聚乳酸-乙醇酸共聚物 (PLGA) 来预防PCO的发展。在兔白内障手术模型中,溴芬酸洗脱人工晶状体表现出显着的PCO预防和炎症抑制作用,具有优异的生物相容性。总之,溴芬酸可通过ERK/GSK-3β/Snail 信号传导抑制TGF-β2诱导的细胞迁移和LEC的EMT。本研究提供了一种通过基于PLGA的药物缓释IOL预防PCO的新方法。(2021)

  • ▲ 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%。

  • ▲ 可生物降解金属-聚合物复合支架

    可生物降解的冠状动脉支架有望消除血管重塑后永久植入材料的不良事件。生物可腐蚀金属和可生物降解聚合物都已尝试作为新一代支架的基质。复旦大学相关研究团队在“可生物降解金属-聚合物复合支架在第一次和第二次植入猪冠状动脉后的长期疗效”的研究中,利用金属-聚合物复合材料结合金属的高机械强度和聚合物可调节降解速率的优点制备了可生物降解支架。在铁表面涂覆(RUIDU超声雾化喷涂系统)聚乳酸(PLA)后,由于PLA水解等导致局部pH值降低,铁的降解明显加速。研究团队将金属-聚合物复合支架(MPS)植入猪动脉并以相应的金属支架(MBS)作为对照检查其在体内的降解。在本研究中,MPS的整体尺寸为Φ3.0x18mm2。利用数码相机和扫描电子显微镜(SEM)观察所得MPS的大体和局部形貌。在上图(a)中显示了MPS扩张前后的照片,可以看到支架一侧有一个不透光的金标记(另一个在背面)。上图(a)也展示了气球的膨胀照片。更详细的MPS结构从上图(b)的SEM图像中反映出来。细细的支柱、树冠和链接清晰可见。SEM图像还表明,聚合物涂层具有良好的力学性能,可以防止膨胀后的涂层破裂或脱落。(2020)

  • ▲ 可生物降解金属-聚合物复合支架

    坚固且可生物降解的材料是开发用于介入治疗的下一代医疗器械的关键。聚乳酸 (PLA) 等可生物降解的聚合物具有可控的降解特性,但其机械强度远低于某些金属材料(如铁);另一方面,将铁的腐蚀速率调整到适合生物医学应用的时间范围一直是一个挑战。复旦大学相关研究团队通过结合PLA涂层,在临床所需的时间范围内实现了体内铁支架的完全腐蚀,这为称为金属-聚合物复合支架的下一代可生物降解冠状动脉支架提供了一种新的生物材料类型。PLA涂层(RUIDU超声雾化喷涂系统)加速铁腐蚀的潜在机制仍然是一个开放的基本话题。在此处,研究团队在仿生体外条件下研究了PLA涂层下铁片的腐蚀机制。计算Pourbaix图(电位与pH值)以呈现仿生水介质中铁腐蚀的热力学驱动力。应用电化学方法跟踪动态腐蚀过程并检查影响铁腐蚀的各种潜在线索。目前的工作表明,PLA涂层对铁腐蚀的加速主要是由于PLA水解降低了局部pH值,以及减轻了聚合物涂层对钝化层的沉积。计算Pourbaix图(电位与pH值)以呈现仿生水介质中铁腐蚀的热力学驱动力。应用电化学方法跟踪动态腐蚀过程并检查影响铁腐蚀的各种潜在线索。(2018)

  • ▲ 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宽的分支)。

  • ▲ 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)

  • ▲ 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。