纸基微流体技术为快速低成本原型制作提供了途径

德克萨斯农工大学化学工程系Artie McFerrin的一个团队，由副教授Zachary Gagnon博士和研究生Nazibul Islam博士领导，开发了一种新型的方法，使用基于纸张的微流体制造诊断设备，可以快速原型化和规模化生产。

　　

由副教授Zachary Gagnon博士和研究生Md Nazibul Islam领导的德州农工大学Artie McFerrin化学工程系的一个团队，开发了一种新型的方法，使用基于纸张的微流体制造诊断设备，可以快速原型化和规模化生产。

他们的研究最近登上了《分析者》杂志的封面。

微流体领域详细介绍了液体通过微小通道的运动，以及如何在技术应用中控制这种运动。这些微流体系统的例子包括诊断设备，如妊娠和COVID-19测试。

这些系统包括一个泵和一个芯片，泵将液体输送到芯片上的微小通道，在那里液体流动，最终遇到诊断试剂——一种与抗体或试剂发生化学反应的物质，从而引发可识别的化学反应。

例如，在进行COVID-19聚合酶链反应(PCR)检测时，需要提供唾液或粘液样本。液体通过芯片上的通道进入微孔，在那里病毒核糖核酸(RNA)首先被转化为DNA，然后被扩增。当SARS-COVID-2病毒存在时，PCR试剂启动上述步骤检测COVID-19。

尽管微流控设备被用于各种应用，但研究和开发微流控设备，加上它们对塑料的使用，使得原型和缩放这些设备非常昂贵。

加格农说:“小规模的妊娠测试样品一次运行可能是六位数的投资，这使得基于消费者的微流体产品几乎不可能进入市场。”“学术实验室和研究人员发表论文，但不能商业化。我们的动机是找到一种方法来普及快速原型平台，这样研究人员就可以商业化他们的微流体产品。”

为了解决这个问题，研究人员转向了基于纸张的微流体技术。基于纸张的微流体技术并不是一个新想法。它以前在诊断设备上的使用是由液体柳条驱动的，在这个过程中，液体可以在没有外力的情况下，由于腔室的特定几何形状而流动。以wicks为基础的纸设备的常见例子是怀孕测试和家庭COVID抗体/抗原测试。

虽然被动流体处理已经帮助开发了几种诊断测试，但缺乏主动流体控制以及由于表面蒸发而导致的毛细管输送变异性是基于纸张的微流体设备的一个主要技术限制。

相比之下，研究人员的纸质微流体装置的功能与传统的塑料微流体装置类似。他们的方法允许研究人员使用层压纸制造诊断设备，使用外部压力源(如泵)引导多孔微流体连续流动。换句话说，层压纸可以高精度地引导流体通过多孔纸结构，可用于复杂的流体处理系统，如PCR和DNA测序机。

Gagnon说:“我们的研究表明，我们可以创建诊断设备，通常需要精确的无尘室制造纸张，我们在实验室层压，基本上可以看到相同类型的流动行为。”

他们的基于纸张的诊断设备需要最少的设备，可以快速制成原型，并以传统微流控设备的一小部分成本进行规模化生产，为微流控操作提供了一种可行且廉价的途径。

纸的多孔性提供了几个优点，因为它允许流体连续流动，拓宽了纸微流体装置的应用范围。例如，伊斯兰利用这种制造技术研究了纸微流体的不同应用，例如研究红细胞的弹性或浓缩DNA。化学工程系的另一名研究生贾拉德·约斯特(Jarad Yost)使用这种技术，使用纸质微流控设备进行DNA扩增，从而消除了对大型笨重实验室设备的需要。

“这项研究为传统的微流体装置提供了一种潜在的替代品，”加格农说。“我们已经证明，基于纸张的微流体设计和传统设计之间有足够的重叠，为其他微流体领域的产品商业化提供了机会。”