可编程 3DP 微流控生物反应系统自动化芯片上的环介导等温扩增LAMP技术（2025年8月，即时医疗，智能手机成像，Arduino电路板和压力泵）

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即时医疗（Point-of-care，PoC）设备通过实现远程诊断和治疗彻底改变了医疗保健行业，其中微流控系统在其发展过程中发挥了关键作用。本研究着重于三维疏水阀的详细工程设计和特性分析，以形成新型可编程生物反应储液器。通过 3D 打印软光刻技术，我们仔细研究了通道尺寸和表面特性对这些储液器爆破压力的影响，其压力范围在 6.4 至 44.8 毫巴之间。这些生物反应储液器在串联和并联配置中均得到了展示，为生物过程的微型化和自动化提供了多功能平台。我们的研究结果表明，这些储液器能够在包括水、血液和血清在内的各种流体样本中编程控制流体流动。此外，还开发了一种便携式压力泵，以利用这些疏水阀的功能，在即时医疗应用中实现对流体动力学的精确控制。该研究最终设计出了一种集成两个连续储液器的微流控芯片，用于在即时检测中执行环介导等温扩增（loop-mediated isothermal amplification，LAMP）以检测猴痘病毒。引物在生物储液器内进行了冻干处理，该系统成功实现了通过 LAMP 检测的可见比色检测。

即时医疗（PoC）设备通过促进远程诊断和治疗，彻底改变了医疗保健行业。微流控工具在这些系统中发挥着关键作用，能够对流体和微/纳米颗粒进行精确且可编程的控制。微流控结构的集成通过一系列生物医学应用，包括蛋白质组学和基因分析、细胞培养和药物筛选平台，极大地推动了精准医疗的发展。在微米级对流体进行精确操控需要对由粘性和表面张力控制的低雷诺数流态进行详细研究。设计类似于敏感电子电路的微流控回路对于应对这些挑战至关重要。

微流控阀和逻辑运算符被广泛用于生物和化学过程的自动化执行。主动阀利用外部力场实现微流控电路中的逻辑切换操作。电子晶体管的功能，如调节、放大和锁存，可以在微流控领域得到有效模拟。被动阀主要依靠毛细现象，无需外部刺激和相关设备即可简化流体编程。亲水阀可用于设计自泵送逻辑电路。同样，疏水阀能够从单个入口同时识别样本中的各种化合物。然而，传统的软光刻技术限制了疏水阀的发展，因为在三维空间中实现通道收缩存在挑战。微流控阀制造中增材制造的出现，使能够连续执行从体液中分离、扩增和识别疾病相关核酸（NAs）的自动化微流控平台的工程设计成为可能。此外，3D 疏水阀可用于开发可编程反应室，这些反应室可根据手动移液进行定制。

这些微型芯片的精确操作在很大程度上仍依赖于体积庞大且昂贵的泵，这限制了它们在即时检测（PoC）环境中的应用。手指驱动和毛细管驱动能够在偏远环境中实现泵送。然而，利用外部力场的主动泵在流体动力学控制方面具有更出色的表现。注射泵因其强大的流速控制能力而在微流体领域应用广泛，但其体积庞大，不适合用于压力依赖型微流体系统，因此在实验室之外的应用受到限制。由于这些泵通过连续机械位移工作，其入口处会逐渐积累压力，因此需要实时反馈来进行精确调节。虽然对于需要入口压力在数百毫巴的流体来说，它们可能具有成本效益，但无法可靠地提供低于 10mbar分辨率的非脉动压力。相比之下，压力和真空驱动泵在操作高级微流体系统方面具有更大的灵活性。特别是，压力泵能够实现高分辨率（约 1mbar）的压力控制，从而确保入口压力的精确和准确调节。然而，这些泵价格高昂，通常还需要大型压缩机才能运行，这使得压力控制的微流体系统难以从实验室走向即时检测应用。开发便携且经济的压力泵能够使先进的微流体系统在偏远地区得以应用，从而彻底改变即时检测应用。

在这项研究中，设计了三维疏水阀以形成可编程的生物反应储液器。对 3D 打印储液器的通道尺寸和表面特性对其爆破压力的影响进行了细致的研究。展示了储液器在串联和并联配置下的运行情况，这有助于生物过程的微型化。通过编程控制包括水、血液和血清在内的各种流体的流动，验证了这些爆破压力可精确控制至约 35 毫巴的阀门的有效性。

此外，还开发了一种由 Arduino 控制的低成本便携式压力泵，以实现这些可编程生物反应储液器的概念验证应用。这种电池供电的泵能够对与微流控芯片兼容的商用液体试管内的流体施加 3 至 166 mbar的气压。该泵施加压力的精度被表征为±2 mbar。该泵能够自动控制各种基于疏水阀的微流控结构的能力得到了证明。储液器与压力泵的集成实现了从单一流体入口创新出时间可编程的泵送和静置序列。

最终，开发出了一种芯片，其包含两个连续的储液器，能够自主执行基于环介导等温扩增（LAMP）的猴痘病毒即时检测。LAMP 引物被冻干在生物储液器内。含有样本的液体被泵送至 LAMP 储液器，并通过集成在便携式泵上的加热模块进行加热。经过 30 分钟的比色反应后，液体被泵送至成像区域。该即时检测系统能够通过智能手机成像和肉眼观察检测出猴痘病毒。

图 1 便携式压力泵和可编程反应储液器的演示。（a）便携式压力泵的渲染图，该泵将一次性液体分配管与微流控芯片集成在一起。当按下启动按钮时，由 Arduino 控制、电池供电的泵会施加一个定义的压力循环。内置磁铁便于与智能手机集成，以进行成像和控制。（b）微流控芯片具有一个单入口，该入口分为三个平行通道，每个通道包含三个串联连接的反应储液器，总计九个储液器。（c）由 PDMS 层组成的生物反应储液器的示意图：顶部为立方体流体腔，底部为带尖锐边缘孔的层，用于生物分子固定。流体通过入口压力 Pi 被泵入。狭窄的出口形成压力屏障 Pb，必须克服该压力屏障才能润湿通道。当 Pi < Pb 时，流体留在储液器内，使固定的分子重新水合，当 Pi > Pb 时，流体被泵出。（d）3D 打印的储液罐具有一个固有的泄漏，以稳定商用直流空气泵的脉动压力。储液罐压力通过针头与分配器相连。（e）在串并联连接的微流控芯片中实现的自动化流体处理。

图 2 爆破压力表征实验装置的说明。（a）定义储液器尺寸的几何参数。（b）用于储液器表征的实验装置示意图：压力控制器向装有液体的 Falcon 管供应压力，液体通过浸入式微管输送到微流控芯片。显微镜可实现对流体运动的实时观察。（c）表征过程的显微镜图像：系统最初充满空气；以低于爆破压力 Pb 的入口压力 Pi 将蒸馏水泵入储液器；然后缓慢增加压力，直至观察到出口通道被润湿。所有比例尺均为 1 mm。

图 3 通过实验数据与理论预测的对比分析爆破压力。（a）实验计算的 Pb?exp 与用公式（1）计算的 Pb?the 的对比。透明且颜色变化的表面表示理论值，而不透明的散点表示实验数据点。（b）接触角对 Pb 的影响。该图是通过在等离子体处理后的不同时间步长对相同通道设计进行实验而生成的。（c）公式（1）对不同纵横比的适用性。使用（a）中的实验数据集创建此图。横轴等于 Pb?the，纵轴显示 Pb?exp 与 Pb?the 的差值。纵横比低于 2 时差异始终最小化，纵横比大于 2 时差异随机分布。（d–f）研究储液器几何形状和水动力阻力对爆破压力的影响。储液器具有（d）不同底面横截面和（e）不同储液器高度时实验测量的爆破压力与计算的爆破压力之间的差异。研究结果表明，这些尺寸没有限制，储液器的容积可根据反应情况进行调整。（f）考察水动力阻力是否会影响连续连接的相同尺寸储液器的爆破压力。所有储液器之间的通道均采用相同的几何尺寸设计。

图 4 采用 Elveflow 压力控制器操作具有九个储液池的微流控芯片，这些储液池排列成三条平行链。 (a) 显示随时间变化所施加的压力和流入系统的测量流量的图表。 (b) 在指定时间的芯片显微镜图像。 在 t = 0 时，系统充满空气。 通过施加图表中所示的压力循环，储液池按所需时间依次用水填充。 当储液池充满水时，由于液体的透明性，它们几乎难以察觉。 流量记录与压力施加同时进行。 储液池编号依据 t = 0 图像中的流动顺序。 比例尺 2 毫米。

图 5 便携式压力泵、特性测试装置以及不同流体性能测试的概述。（a）便携式压力泵的照片。内置照明在闲置时显示彩虹色，当按下右侧的启动按钮开始泵送循环时则切换为白光。比例尺：50 毫米。（b）特性测试装置的示意图：将液体分配器置于 U 形通道的一端，同时将油困在其中，另一端连接到压力控制器。U 形通道内填充约 200 微升的润滑油，通过将油位与显微镜屏幕上的结构水平线进行比较来进行测量。比例尺：2 毫米。（c）便携式压力泵对输入到 Arduino 控制器的信号值的压力输出特性。（d）使用便携式泵对 3 种不同流体进行测试。流体在指定的时间间隔内保持在储液器中。

图 6 LAMP 芯片原型系统的演示。（a）芯片上 LAMP 微流道设计。前两个储液池与泵中的加热器对齐，同时填充样本。样本在其中停留 30 分钟，期间加热器温度调整至 65°C。随后，样本被泵送至后续的读取储液池，在下方白光的照射下，通过智能手机摄像头捕捉颜色变化。仅在一个平行储液池中固定了 LAMP 引物，以便进行颜色变化的对比。（b）LAMP 组分的示例清单。（c 和 d）平行储液池操作过程的描绘。冻干引物（c）与泵送的样本（粉色）混合，而另一个储液池（d）仅含有样本成分。经过 30 分钟的热处理后，LAMP 储液池的颜色变为黄色，而另一个储液池仍为粉色。（e）便携式压力泵上的加热模块，珀尔帖元件与反应储液池对齐。读取储液池与背光区域对齐，提供照明以便于智能手机成像。比例尺 50 毫米。（f）冻干后沉淀的引物的显微镜图像。比例尺 1 毫米。

图 7 便携式压力泵在微流控芯片上的比色 LAMP 反应。（a）反应过程中各储液池的时间推移图像，显示了含 25 ng μL?1 质粒 DNA 样品的扩增动态。LAMP 储液池与珀尔帖模块对齐以进行加热。（b）反应储液池内液体的红/绿（R/G）比值变化。（c）广角图像显示反应结束后液体被泵送至后续储液池。读出储液池与泵加热槽的背光区域对齐。（d）读出储液池的归一化 R/G 比值。红、绿、蓝强度归一化至芯片上的指定参考区域，以减少智能手机相机照明造成的变异性。（e）使用四种 Mpox 特异性基因克隆质粒 DNA 的连续稀释液（100 至 0.01 ng μL?1）进行的芯片上样本浓度检测灵敏度研究。可见颜色变化（R/G < 1.15）可低至 0.1 ng μL?1。（f）检测限研究中读出储液池的智能手机图像。下部储液池（LAMP）包含扩增反应，而上部储液池（对照）作为比较参考。图像的测量值对应于（e）中所示的浓度。

参考文献：

M. Tugrul Birtek,  Nazente Atceken and Savas Tasoglu. Lab on a Chip, 2025, 25, 5506.

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