在疾病診斷與生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，單細(xì)胞分析是解析細(xì)胞異質(zhì)性的關(guān)鍵工具。傳統(tǒng)的單細(xì)胞分析手段，如光學(xué)顯微鏡或流式細(xì)胞術(shù)，常因操作復(fù)雜、成本高昂或侵入性強(qiáng)等限制，難以滿足高通量、高靈敏度的研究需求。阻抗與介電光譜（IDS）技術(shù)作為一種非侵入、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)且具備高通量潛力的方法，已成為單細(xì)胞分析的重要技術(shù)路徑。其原理是當(dāng)細(xì)胞或顆粒通過(guò)微流道中電極產(chǎn)生的電場(chǎng)時(shí)，會(huì)擾動(dòng)電場(chǎng)并產(chǎn)生與其自身電學(xué)特性及空間位置相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。然而，在非均勻電場(chǎng)中，顆粒若在垂直方向上發(fā)生偏移，會(huì)顯著影響電場(chǎng)分布的對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致信號(hào)振幅失真，從而降低檢測(cè)的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性。

為解決這一難題，來(lái)自曼徹斯特大學(xué)與墨爾本大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種集成噴嘴結(jié)構(gòu)的3D打印微流控芯片，通過(guò)兩級(jí)鞘流實(shí)現(xiàn)可調(diào)的三維流體動(dòng)力學(xué)聚焦。該研究以“Precision flow focusing in 3D printed microchannels for enhanced impedance spectroscopy"為題，發(fā)表于國(guó)際期刊《Sensors and Actuators B: Chemical》上。

該創(chuàng)新微流控芯片的核心在于其獨(dú)特的噴嘴結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)颖玖髦鲃?dòng)抬升至微通道底部上方，有效避免了顆粒與通道壁面的非特異性相互作用。結(jié)合自上而下的鞘流約束和下游收縮段的聚焦效應(yīng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了顆粒在通過(guò)傳感區(qū)域時(shí)的三維精確定位。而實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵制造技術(shù)，正是摩方精密的面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)和復(fù)合精度光固化3D打印技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)采用摩方精密microArch® D1025（精度：10&25μm）3D打印系統(tǒng)，以HTL樹(shù)脂為材料，一次性成功成型了包含120μm半徑噴嘴、800μm寬主通道以及100μm寬收縮段的多尺度集成微流控芯片。

如圖1所示，通過(guò)調(diào)節(jié)流量比Q2/Qt，粒子可被精確地推向電極附近，而無(wú)需依賴(lài)淺通道或復(fù)雜電極配置。這種可調(diào)諧性使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景，從細(xì)胞分析到化學(xué)檢測(cè)，均表現(xiàn)出優(yōu)異的適應(yīng)性。

進(jìn)一步地，圖2詳細(xì)闡釋了三維流體聚焦的機(jī)制。系統(tǒng)采用三階段聚焦策略：首先，鞘流F1與噴嘴結(jié)合實(shí)現(xiàn)側(cè)向和部分垂直聚焦；其次，頂部鞘流F2增強(qiáng)垂直約束；最后，下游收縮段鞏固整體聚焦效果。這種配置確保了粒子在通過(guò)傳感區(qū)域時(shí)始終靠近共面電極，從而優(yōu)化信號(hào)采集。

通過(guò)熒光成像和阻抗光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了聚焦效率。圖3展示了模擬結(jié)果，揭示了微通道結(jié)構(gòu)對(duì)流體動(dòng)力學(xué)的影響。當(dāng)流量比Q1/Qs從0.99變化至100時(shí)，聚焦寬度可在0.07至0.65倍通道寬度間調(diào)節(jié)，體現(xiàn)了高度的可調(diào)性。同時(shí)，垂直聚焦通過(guò)共聚焦顯微鏡量化，顯示在Q2/Qt=0.9時(shí)，粒子距電極距離可降至10μm以下，顯著提升信號(hào)質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)部分采用熒光微球作為模型系統(tǒng)，在總流量固定為100 μL/min的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)鞘流比例實(shí)現(xiàn)粒子定位。圖4的熒光成像結(jié)果直觀呈現(xiàn)了側(cè)向和垂直聚焦的效果。隨著Q2/Qt的增加，粒子流高度逐漸降低，寬度略有增加，但收縮區(qū)域有效抵消了這種擴(kuò)散，確保粒子在傳感區(qū)域內(nèi)保持緊密聚集。這種設(shè)計(jì)在300μm通道中實(shí)現(xiàn)了聚焦流尺寸從71×70.5至121×10.95μm的動(dòng)態(tài)范圍，適用于多種粒子尺寸。

在電學(xué)表征中，阻抗信號(hào)幅度隨粒子垂直位置變化，模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度吻合。圖5展示了測(cè)量設(shè)置和結(jié)果，當(dāng)Q2/Qt=0.9時(shí)，信噪比達(dá)到峰值17.38 dB，且信號(hào)變異性低。統(tǒng)計(jì)分析顯示，所有流量條件間均存在顯著差異，凸顯了優(yōu)化垂直聚焦的重要性。這一發(fā)現(xiàn)為阻抗細(xì)胞術(shù)提供了可靠基礎(chǔ)，無(wú)需依賴(lài)復(fù)雜后處理即可實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)。

在本項(xiàng)研究里，摩方精密的多精度制造能力使得復(fù)雜的噴嘴結(jié)構(gòu)和收縮區(qū)域能夠一次成型，避免了傳統(tǒng)多層光刻技術(shù)所需的復(fù)雜對(duì)齊和鍵合步驟，不僅簡(jiǎn)化了制造流程，也增強(qiáng)了器件的整體性和功能集成度，為微流控芯片的設(shè)計(jì)提供了幾何靈活性與快速原型驗(yàn)證能力。

作為摩方精密高技術(shù)水平的雙精度microArch® Dual系列設(shè)備（D0210、D1025），創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了同層（XY軸方向）和不同層（Z軸方向）均能實(shí)現(xiàn)不同精度的切換打印，并依舊保持了超高精密、超高公差控制能力，全新搭載自動(dòng)水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使工業(yè)級(jí)3D打印更智能、更穩(wěn)定、更高效。在打印尺度方面，該系列實(shí)現(xiàn)了從2μm到100mm×100mm×50mm的跨尺度精密加工能力，突破傳統(tǒng)制造在尺寸與精度上的協(xié)同局限。在快速原型制作領(lǐng)域，這一能力為生物醫(yī)療、精密電子、5G通信、半導(dǎo)體等高精尖行業(yè)的創(chuàng)新研發(fā)，提供了兼具高速響應(yīng)、靈活迭代與顯著降本增效的全新解決方案。

隨著精準(zhǔn)醫(yī)療邁向個(gè)體化診療新階段，摩方精密持續(xù)加碼研發(fā)投入，致力于推動(dòng)微納3D打印技術(shù)向更高水平演進(jìn)。未來(lái)，摩方精密將通過(guò)提供兼具超高精度與高度定制化能力的精密制造解決方案，在更廣闊的前沿領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，從個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備到定制化傳感器，從微型光學(xué)元件到微流控系統(tǒng)，為科研探索與產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供關(guān)鍵支撐。