东京大学竹内教授课题组：3D打印微流控器件制备双层脂膜
发布日期：2022-04-24
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图1 日本东京大学竹内昌治教授及其研究团队在Lab on a Chip杂志上发表封面文章
近年来，与细胞膜信号和物质传输有关的膜蛋白（membrane proteins），受到药物开发人员的广泛关注。由于具有极高的特异性（specificity）以及对配体分子（ligand molecules）的敏感性，膜蛋白还有望用于各类化学传感器。在实际操作中，膜蛋白需要双层脂膜（lipid bilayer）作为载体。在过去，研究人员主要利用机加工或光刻等MEMS器件的加工方法，来制作具有“双空腔结构”（double-well chamber，DW）的微型器件，并通过“液滴接触法”（droplet contact method，DCM）来制作双层脂膜。随着3D打印技术的快速发展，也有越来越多的研究人员尝试使用3D打印来制作类似微型器件。
最近，东京大学著名学者竹内昌治教授所带领的团队，研究了3种不同的3D打印技术用于双层脂膜制备（fabrication of lipid bilayer devices）及其用于膜蛋白检测（measurement of membrane proteins）的可行性。研究成果以“3D printed microfluidic devices for lipid bilayer recordings”为题，作为封面文章发表在Lab on a Chip期刊上。
图2 （a）DCM装置示意图；（b）3D打印制作DCM微型器件
这项研究从以下三个方面进行：
1. 利用3D打印DCM微型器件制备双层脂膜的成功率。研究人员利用3种不同的3D打印技术，分别制作了特殊的DCM器件，其中包含厚度为40μm /80μm /200μm的薄壁结构。利用PμSL高精密3D打印技术（摩方精密，microArch S140高精度3D打印系统）制作的DCM器件，实际尺寸与设计值的偏差只有6%，表面粗糙度低至0.27±0.02μm，在制备双层脂膜时能够实现高达93%的成功率。
图3 不同3D打印样品的尺寸精度及表面粗糙度
（microArch为摩方精密S140高精度3D打印机）
2. 分别对由3D打印及传统方法制作的DCM器件进行性能对比。研究指出，通过电噪声振幅（amplitude of electrical noise）及双层脂膜成型时间（waiting time for lipid bilayer formation）的比较，3D打印所制作的器件能实现与传统方法较为一致的性能，即可灵敏、快速地获取离子通道信号（ion channel signals）。
3. 3D打印技术在DCM领域的拓展应用。通过微流控一体成型（monolithic fabrication）制备不同的DCM器件（如DW结构、DW与双管道串联结构、多空腔DW结构）用于溶液混合以及电信号的并行记录，研究人员指出,3D打印技术能够快速、便捷、一体成型制作传统方法无法实现的复杂结构，在药物开发和化学传感器等方面将会有非常大的应用前景。
图4 摩方精密的S140高精度3D打印机所打印的DCM器件
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D1LC01077H
