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集成阀门能够实现微流控系统的自动化控制和并行化，对片上器官系统非常有价值。荷兰特文特大学Mathieu Odijk 教授团队提出了一种无需在超净间环境下，使用微铣削模具与多层软光刻技术制造的宏观阀门。
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本文亮点1. 集成化阀门，可实现微流控系统的自动控制与并行化。2. 该宏观阀门无需超净间，使用微铣削模具直接成型进行装配。3. 该阀门已得到系统性描述，可被用于设计蠕动泵与混合器。4.初步的细胞培养实验表明，该方法适用于片上器官技术。
研究背景
片上器官（Organ-on-chips ,OoCs）通常被定义为微流控细胞培养设备，它包含两个可独立寻址的平行通道，并通过多孔膜隔开。不同类型的细胞可以在膜的两侧培养，形成复杂的器官特异性组织间界面。OoC设备被认为是传统体外和动物模型的有力替代品。然而，OoC在使用中可能需要耗费大量人力，且比较困难，因为它们需要微流体和细胞培养方面的经验。为了将OoC从概念验证设备转化为商业化系统，例如药物筛选和个性化医疗，OoC系统就必须具有更高的生产能力。而带有集成微流控阀的系统通常可以减少手动处理液体的需要。这些阀门可以实现泵送、混合和区分等目的，从而提高实验的生产能力，并实现微流控芯片中液体路径的自动化。然而，这种阀门与OoC中容纳相关细胞培养所需的大通道并不兼容。因此，制造能够关闭数百微米高通道的集成阀门的意义非常重大。此外，由于并非所有研究人员都能使用洁净间设施，无需洁净间的制造方法将更方便与易于接受。2000年，Unger等人提出了一种目前常用的常开PDMS阀，也称为振动阀（Quake-style valves）。与常闭阀门相比，这些阀门易于制造，且相对于通道宽度而言面积较小。振动阀的原始制造工艺依赖通过光刻胶回流生成完全密封的圆形通道，导致其应用限制数十微米的通道高度。这使得阀门不适用于大多数OoC应用，因为OoC系统通常包含数百微米高与宽的通道。此前，人们已经探索出了光刻和3D打印作为新的制造方法，以制造出能够关闭数百微米高通道的阀门。Freitas等人提出了一种使用光刻技术制造振动阀的方法，其最大高度和宽度分别约为250和400µm。然而，他们的方法需要额外的软光刻步骤以及在PDMS固化期间对通道加压，从而使制造过程更加复杂。3D打印也替代光刻为制造振动阀提供了方法。Glick等人和Compera等人都提出了由3D打印直接成型的振动阀，分别能关闭500µm高和200µm高的通道。然而，PDMS软光刻的3D打印模具在材料兼容性、表面光洁度、无法进行蒸汽抛光、分辨率限制、可重复性、易用性和制造速度以及光交联剂的使用方面都存在问题，这可能会干扰PDMS的固化。
与3D打印和光刻相比，微铣削提供了一系列独特的优势。微铣削是一种快速、多功能、无需洁净室的低成本制造方法，允许在一个模具内形成复杂的3D几何图形。由塑料（如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA）制成的微铣削模具比易碎的（尤其在获得相对较大的光刻胶结构时）光刻胶母版更坚固，更有弹性。针对此，荷兰特文特大学Mathieu Odijk 教授团队提出了一种完全无需洁净室的PDM振动阀制造方法，通过使用微铣削来制造阳模直接成型。该宏观阀门可以关闭高达700µm、宽达1000µm的圆形通道。由宏阀门组成的蠕动泵可实现高达48µL/min的泵送速率，比由常规微阀门组成的蠕动泵的泵送速率至少高300倍。组成的混合与计量装置可在17秒内完成6.4µL体积的完全混合。并在带有宏瓣膜的PDMS设备中，在蠕动流下培养了数天的内皮细胞作为概念验证细胞培养实验。该实验证明了宏观阀门在多路OoC中的应用潜力，并允许OoC中细胞培养的自动化，有助于在OoC研究中获得更高生产能力的同时减少手动液体处理的需要。
图文导读
图1. 制作的PDMS宏观阀门。A-B）俯视显微照片。C） 从阀门位置的横截面图上看，打开和关闭阀门的示意图。D-G）制造过程的简化描述。
图1显示了宏观阀门及其总体制造工艺。图1A为带有阀门打开和桥接器的控制层，图1B为带有关闭阀门和桥接器的加压控制通道，没有关闭流道。圆形流道中流体为蓝色食用色素，控制流道中流体为水。图1C为从阀门位置的横截面图上看，打开和关闭阀门的示意图。通过对控制通道加压（P↑)，实现阀门的关闭。图1D至图1G简要描述了阀门的制造过程。首先如图1D所示采用直立圆形结构的微铣削模具将PDM铸造为流动层。然后如图1E所示采用具有矩形结构（控制通道）的微加工模具作为控制层。PDMS可以旋涂在模具上，从而在控制通道和流道之间形成一层薄薄的PDMS膜。接下来可对PDM进行预固化，随后可将两层对齐，如图1F所示。控制层粘结在玻璃载玻片上。最终制作的器件由三层组成；玻璃载玻片、控制层和流动层，如图1G所示。
图3. 阀门的系统特性。A） 表征芯片的俯视示意图。B） 制作的4个版本的芯片，标注了固定的流道宽度。C） 在不同的驱动压力下，4个版本的阀门关闭情况。
图3说明了宏观阀门的关闭作为尺寸和压力函数的系统特征。该芯片共有4个版本，每个版本具有固定的流道宽度（250、500、750或1000µm）。流道高度以流道宽度的百分比变化，用蓝色梯度表示。每个芯片版本的控制通道高度是固定的，控制通道宽度是流动通道宽度的百分比，其俯视示意图如图3A所示，实物图如图3B所示。图3C描述了在不同的驱动压力下，4个版本的阀门关闭情况（由右下角的4个垂直条指示：1、1.25、1.5、1.75巴）。每种情况n=9~12。
图6：循环芯片中的内皮细胞培养。A）蠕动泵（红色）和细胞室（绿色）的设备俯视示意图。微针的高为700微米，并且有150微米高的轮缘。B）恒定蠕动流量下HUVEC（第七代）在芯片上培养96小时的相衬显微图像。C）三相和六相驱动模式下，在不同频率下测量片上蠕动泵的泵送速率（n=1）。D）绿色荧光蛋白转染后的HUVEC荧光图像。
图6描述了在恒定蠕动流下在再循环芯片中培养的内皮细胞。图6A显示了蠕动泵（红色）和细胞室（绿色）的设备俯视示意图，其中的白色箭头表示介质的再循环回路。图6B是恒定蠕动流量下第七代人脐静脉内皮细胞（HUVEC）在芯片上培养96小时的相衬显微图像。比例尺代表1毫米。在三相和六相驱动模式下，在不同频率下测量片上蠕动泵的泵送速率（n=1）如图6C所示。图6D为绿色荧光蛋白（绿色）转染后的HUVEC荧光图像，带有染色的细胞核（NucBluer染色）和F-肌动蛋白（红色）。比例尺代表1毫米。
作者及实验室简介
第一作者：Elsbeth Bossink，荷兰特温特大学BIOS芯片实验室。通讯作者：Mathieu Odijk，荷兰特温特大学BIOS芯片实验室；主要研究领域包括用于化学分析的微纳器件制造、微流体、微加工、传感器、微反应器等。实验室简介：BIOS芯片实验室课题组是世界级的研究课题组，专注于微流体技术，由超过45名研究人员（博士、博士后、研究员）组成。其位于的MESA 纳米技术研究所的纳米实验室是一个占地1250平方米的尖端洁净室设施，内含先进的纳米光刻仪器、分析设备和生物纳米实验室。
