基于立体光刻3D打印模具的PDMS微流控芯片制备及其在毛细管电泳中的应用研究

《Talanta》：Casting of PDMS microfluidics into 3D printed moulds and their application in capillary electrophoresis

本文报道了一种利用立体光刻（SLA）3D打印技术制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片的创新方法。研究人员通过设计带有拉伸细丝的模具，成功铸造出通道直径可低至100 μm的定制化微流控器件，包括多路耦合器、混合器和流动门控接口（FGI）。该技术解决了传统微流控制备工艺复杂、成本高的问题，实现了与毛细管电泳（CE）仪器的在线联用，为临床微量样本（如人血清微透析液）的连续自动化分析提供了新方案，填补了现有CE仪器市场的技术空白。

　　

在现代分析化学领域，微型化已成为重要发展趋势，特别是在临床样本处理和小体积分析物检测方面。毛细管电泳（CE）因其高分离效率、低样本消耗和快速分析等优势，在生物分析中扮演着关键角色。然而，传统实验室操作如移液操作在微升级样本处理中重现性差，且现有商业CE仪器缺乏与流动采样技术（如微透析）的在线连接接口，这成为实现临床样本自动化分析的瓶颈。

为解决这一难题，发表在《Talanta》上的研究提出了一种创新性的微流控制备方案。该研究利用立体光刻（Stereolithography, SLA）3D打印技术制作模具，通过浇铸聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备定制化微流控芯片，成功实现了与CE仪器的在线耦合，为临床样本的连续自动化分析提供了新思路。

关键技术方法主要包括：1）使用CAD设计模具并通过SLA 3D打印制备具有拉伸细丝系统的树脂模具；2）以10:1比例混合PDMS基础组分与固化剂，经脱泡后浇注入模，150°C热固化30分钟；3）通过臭氧处理实现微通道表面亲水化改性；4）构建集成流动门控接口（Flow Gating Interface, FGI）的微流控系统，用于在线连接微透析采样与CE分析。实验使用健康志愿者提供的血清样本，通过实验室自制的微透析探头进行采样。

研究结果与讨论：

微流控器件的制备与表征

通过SLA技术打印的模具可批量生产（单次20-30个），最小通道直径达100 μm。制备的PDMS微流控器件包括Y型/T型混合器、X型耦合器等，经测试在14.2-56.7 kPa压力下保持密封性。通过三维混合实验验证，Y型混合器在1-4 μL/min流速下可实现溶液充分混合，导电率值稳定在4.75-5.25 mM范围。

集成FGI的在线连接性能

设计的十字型FGI微流控芯片成功整合了分离毛细管入口、样品输送毛细管、接地电极和废液出口。通过电磁微阀控制背景电解质（BGE）流向，实现样品注入与冲洗的自动化切换。对100 μM甘氨酸（Gly）和丙氨酸（Ala）混合液的30次连续分析显示，迁移时间日内RSD<0.73%，峰面积RSD<2.63%，表明系统具有优异的重现性。

人血清微透析在线分析应用

采用实验室自制的微透析探头（截留分子量10 kDa）对1.5 mL人血清进行采样，在线CE分析成功检测到17种氨基酸。其中丝氨酸/异亮氨酸、谷氨酰胺/谷氨酸为共迁移峰，各氨基酸迁移时间RSD为0.33-0.74%，峰面积RSD为2.6-5.6%。该方法无需样本预处理即可直接分析复杂生物样本，展现了良好的临床应用潜力。

本研究开发的SLA 3D打印模具结合PDMS浇铸技术，为定制化微流控芯片的快速原型制作和批量生产提供了新途径。所构建的集成化FGI系统实现了CE与流动采样技术的可靠在线连接，解决了商业仪器缺乏自动化接口的难题。该方法在保持CE高分离效能的同时，实现了临床样本的连续自动化分析，为实时生物监测和精准医疗提供了技术支撑。未来可在微透析回收率、内标法定量等方面进一步优化，拓展其在临床实时监测中的应用价值。