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，通過調(diào)節(jié)流量比Q2/Qt，粒子可被精確地推向電極附近，而無需依賴淺通道或復(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)，無需依賴復(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，摩方精密將通過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。