英文原题：3D Printed Microfluidic Devices for Integrated Immunoaffinity Extraction, Solid-Phase Extraction, and Fluorescent Labeling of Preterm Birth Biomarkers
作者：James D. Holladay, Zachary A. Berkheimer, Michael K. Haggard, Jacob B. Nielsen, Gregory P. Nordin
中文供稿人：叶海航，崇媛媛，中国科学技术大学
研究背景：
早产（妊娠不足37周）每年导致约百万新生儿死亡，现有预测方法如宫颈长度测量特异性较低，床旁免疫试纸条预测窗口仅为1周左右，而血清蛋白标志物质谱检测虽可提供更长预测窗口但操作复杂。微流控技术因样品需求量少、分析快速等特点，在即时诊断中展现出优势。传统微流控器件受限于加工工艺，仅能实现二维平面式芯片加工，而3D打印技术的引入，使得微流控设备能够集成泵、阀门、垂直通道等三维结构，从而实现更强大、更复杂的流程微型化。本研究开发了一种3D打印微流控器件，集成免疫亲和提取（IAE）、固相萃取（SPE）和荧光标记等功能，通过多孔聚合物整体柱选择性富集早产标志物，并采用气动控制的微阀调控流体流动，为构建便携式早产预测平台迈出关键一步。
内容介绍：
3D打印实现复杂功能集成
该器件通过数字光处理立体光刻3D打印技术，将IAE整体柱（环氧基甲基丙烯酸酯材质）与SPE整体柱（月桂基甲基丙烯酸酯材质）串联，并集成气动阀门控制流体路径。这种设计允许正交色谱分离：IAE柱利用抗体特异性捕获标志物（如促肾上腺皮质激素释放因子CRF、铁蛋白和乳铁蛋白），SPE柱则通过疏水作用浓缩标记目标物。
图1. 集成免疫亲和提取(IAE)/固相萃取(SPE)装置示意图。(A)装置结构特征。S1、S2：真空(抽吸)端口1和2；P1、P2：气动端口1和2。比例尺为3毫米。(B)设置为引导流体流经IAE和平衡整体柱的装置状态。向P2施加压力以关闭阀门2，同时通过S1施加真空抽吸。(C)设置为引导流体流经IAE和SPE整体柱的装置状态。通过P1施加压力关闭阀门1，同时通过S2施加真空抽吸。
迭代优化验证设计优势
3D打印技术的引入提升了微流控装置的设计和迭代效率。经过20余次设计迭代，最终版本采用100μm×100μm 通道和优化阀门布局，通过平衡柱增强了流体操控精确性，并解决了气压过大导致的串联双柱层间剥离问题。
图2. 100μm×100μm通道中整体柱的优化。(A-D)在800倍放大率下拍摄的100μm×100μm通道内聚合整体柱的SEM显微照片，标尺为20μm。(A)IAE和(B)SPE整体柱采用针对50μm×50μm通道优化的配方制备，导致整体柱与通道壁粘附不完全。(C)使用低孔隙率单体混合物制备的IAE整体柱。(D)采用先前配方在锯齿状窗口内聚合的SPE整体柱。(E)IAE整体柱组成配比表。(F)锯齿状通道中SPE整体柱的显微照片，标尺为100μm。所有整体柱均在五通道测试装置(图S1)中完成聚合。
双整体柱协同提升检测性能
实验表明，这种集成的IAE/SPE微流控装置能够从缓冲液和去母体血清中选择性地提取、富集和标记分析物，并将标记目标物释放到浓缩塞中用于下游分析。相对于对照组，双整体柱协同模式有效提升样本富集能力，3种蛋白标志物检测限达纳摩尔级，其洗脱过程中形成的高分离度样品分布有望为后续与微芯片电泳联用奠定基础。
图3. 多重IAE提取后SPE整体柱的洗脱效果。IAE整体柱功能化修饰有抗CRF、抗铁蛋白和抗乳铁蛋白抗体。图示为生物标志物混合物经IAE/SPE串联提取后，SPE洗脱阶段的荧光检测信号。实验采用预标记的187.5 nM CRF、12.5 nM铁蛋白和6.3 nM乳铁蛋白混合样品。为更清晰比较不同实验批次，每个峰前50秒的基线数据已截除。
总结/展望：
本研究首次在微流控器件中实现IAE与SPE整体柱的串联，通过3D打印技术解决了复杂微阀和通道在芯片中集成的难题，为早产风险的多标志物检测提供了自动化解决方案。未来工作可拓展至其他疾病标志物检测体系，并进一步集成样品预处理模块和信号读出模块以实现真正意义上的"芯片实验室"。该技术路线对开发其他POCT诊断设备具有重要参考价值。
Cite this: Holladay, J. D.; Berkheimer, Z. A.; Haggard, M. K.; Nielsen, J. B.; Nordin, G. P.; Woolley, A. T. 3D Printed Microfluidic Devices for Integrated Immunoaffinity Extraction, Solid-Phase Extraction, and Fluorescent Labeling of Preterm Birth Biomarkers. Precision Chemistry 2025, 3 (5), 261–271. https://doi.org/10.1021/prechem.4c00092.