3D printed microfluidic chips for biomedical engineering applications

Protein monitoring

The combination of microfluidics and 3D printing will accelerate pharmaceutical research and development, achieve high conversion rates and selectivity, and shorten production times, significantly improving yields and production speeds for drugs such as ibuprofen and artemisinin.

Microfluidics has important advantages in preterm birth (PTB) biomarker analysis due to its low sample requirement and automated analysis.

A preterm birth biomarker analysis system with integrated microfluidics has been developed, and researchers have developed a microchip electrophoresis (μCE) method for isolating PTB biomarkers in human serum.

该设备同时具备荧光标记、比色和电化学分析等功能。通过微芯片电泳法，能够从孕妇血清中分离出6种PTB蛋白和肽生物标志物的混合物，从而形成一种廉价、可靠的早期PTB风险诊断方法。

集成的微流控装置提供了一个用于提取、荧光标记和分离PTB风险生物标志物的平台，重点分析了PTB风险关键生物标志物——凝血酶–抗凝血酶。

With微流控和纳米技术的快速发展，一些便携式分析仪器通过检测h-FABP、肌红蛋白等生物标志物，被应用于护理点（POC）心血管疾病（CVD）的检测，智能手机也可以用作生理指标分析仪。

表面增强拉曼散射（SERS）检测技术因其快速、准确的疾病诊断能力，在前列腺癌检测中备受关注。

无泵PDMS微流控芯片可实现基于SERS的前列腺特异性抗原（PSA）生物标志物免疫分析集成，通过检测免疫复合物的SERS信号，展示了其作为早期前列腺癌筛查技术的潜力。

离子检测

微流控设备在重金属离子的电化学检测方面表现出卓越性能。研究人员使用PolyJet 3D打印系统Eden260制作了一种用于金属离子检测的微流控芯片。

该芯片结构精细，表面光滑（表面粗糙度为16），且透明度较高。基于Mn2O3改性柔性丝网印刷电极的三维打印微流控传感装置可以用于重金属离子（Cd2+和Pb2+）的实时溶出分析。

为实现对As3+、Cd2+和Pb2+的高灵敏度、高选择性和多路检测，研究人员开发了一种基于固相萃取（SPE）和GOQD阵列芯片的集成微流控装置。

该微流控器件通过SPE从水相样品中选择性分离目标金属离子，然后自动转移到DNA适体连接的GOQD阵列传感器上进行定量分析。

未来，该微流控装置可通过选择能够吸附更多金属离子的合适阳离子交换树脂，以及固定化相应金属离子特异性DNA适配体的GOQD阵列，来扩大其适用范围。这将使装置能够同时检测更多种类的金属离子。

细胞筛选与分析

3D打印的微流控芯片可用于细胞筛选与分析。表面增强拉曼散射（SERS）是一种无创、无标签的细胞生化分析技术。

拉曼光谱提供了单细胞的全面化学信息，包括核酸、蛋白质、碳水化合物和脂质等。利用3D打印技术制备的SERS-微流控液滴平台，可以实现基于通用磁性SERS活性底物在单细胞水平上的无标记和同时分析。

微流控技术在生物医学细胞分离和分析方面具有显著优势。通过在微流控通道中设计微结构或利用流体力学相互作用，微流控技术成为操纵细胞的潜在强大工具。

这在CTCs检测及隔离后分析、单细胞分析和干细胞研究等方面表现突出。利用弯曲的微流控装置，可以将不同大小的细胞聚集到不同尺寸的微流控通道中，从而将它们分离到单独的出口通道，实现CTCs细胞与其他血细胞的分离。这一方法有望用于癌症患者的早期检测、治疗选择和监测。

利用3D打印技术，还可以制备双层带细胞培养池的微流控芯片。该芯片通过基质胶构架模拟人体内部微环境的三维结构，实现了乳腺癌细胞的动态三维培养，并成功形成三维腔体结构。在此基础上，该芯片还成功实现了初步的细胞毒性实验和药物筛选。

微流控芯片可以与其他技术集成，以跟踪和监测病原体。微流控系统中的微型通道能够模拟细胞和试剂在微通道结构中的相互作用，用于评估生物单元之间的相互作用，从而应用于微生物诊断。

DNA和RNA提取与分析

3D打印的微流控芯片可以用于DNA和RNA的提取与分析。最新研究提出了一种新的微流控固相萃取（SPE）装置，可以高效提取血浆中的循环游离DNA（cfDNA）和循环肿瘤DNA（ctDNA），进行SPE分析。

对血浆样本中提取的cfDNA进行连接酶检测反应，可以确定结肠直肠癌和非小细胞肺癌患者的KRAS基因是否存在突变。

目前，采用微流控技术的即时检测（Point-of-care testing, POCT）在核酸检测方面取得了快速进展。由于POCT核酸检测可以无需培养直接检测病原体，这使得分子诊断在资源有限的环境中成为可能。

传染病检测中的即时核酸扩增和检测，可以通过基于微流控技术的分子诊断技术实现。

organ chip

3D打印的器官芯片用于模拟心脏、肝脏、肺、肾脏、神经和肿瘤的功能仿生，这可以加快新药物的研发。由于临床前试验可以不需要体内模型进行测试，这将有希望部分取代动物实验模型。

与此同时，可以与其他功能组件模块化有机集成的多器官集成打印将成为主流技术。为了实现中药注射液的安全性检测，中药安全性评价领域首次将3D打印技术与微流控技术结合，利用3D打印的精准、快速和低成本优势，建立了三维动态类器官模型。