專利名稱：印刷生物活性材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及印刷，更具體的，本發(fā)明涉及用于在聚合物襯底上印刷特征 (例如包括用于診斷醫(yī)學(xué)測試的生物材料的結(jié)構(gòu))的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
用于在聚合物襯底上產(chǎn)生特征的系統(tǒng)和方法應(yīng)用于各種需求應(yīng)用中，所述各種需求應(yīng)用包括創(chuàng)建體外診斷(IVD)醫(yī)學(xué)測試、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)備、用于分析脫氧核糖核酸(DNA)序列的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)測試等。這些應(yīng)用通常需要能夠認(rèn)真而精確地在聚合物襯底上形成特征而不會損壞特征或已沉積物質(zhì)的、高速并具有成本效益的系統(tǒng)和方法。為了上述目的，聚合材料(也稱作聚合物材料)可以是具有通常由共價鍵連接的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的任何材料。聚合材料的示例包括塑料(例如，聚碳酸酯)、橡膠、硅樹脂、和生物聚合物(例如，蛋白質(zhì)和纖維素)。具有成本效益的、高速的和精確的用于在聚合物襯底上產(chǎn)生特征的方法對于創(chuàng)建醫(yī)學(xué)診斷測試特別重要，所述醫(yī)學(xué)診斷測試通常必須創(chuàng)建成為高容量的，以滿足醫(yī)學(xué)和研究團(tuán)體日益增長的需求。此外，用于創(chuàng)建測試的材料通常在創(chuàng)建測試的過程中易于損壞。通常，在聚合物襯底上創(chuàng)建所需特征會涉及昂貴的光刻過程和在襯底上仔細(xì)的沉積材料?？梢酝ㄟ^機(jī)械手拾取和放置組件來定位材料。在將材料(例如，蛋白質(zhì)和反應(yīng)物) 定位在試樣上之后，使材料固化。固化過程會涉及冗長的干燥過程。因為聚合物襯底傾向于彎曲，并且用于診斷測試的敏感化學(xué)品在暴露于來自烘箱的過量熱時會受損，所以試圖通過烘烤來固化和/或干燥材料已經(jīng)證明是有問題的。此外，用于在聚合物襯底上形成特征的通常方法通常只提供對設(shè)備容差的粗略控制，這會導(dǎo)致最終產(chǎn)品上的特征不一致。

發(fā)明內(nèi)容
一個用于在襯底(例如，聚合物)上印刷一個或多個所需特征的實施例包括使用包含指示劑材料的墨水，和采用壓電打印頭以在襯底上沉積墨水。指示劑材料可以是以可再生方式與生物材料反應(yīng)而留下反應(yīng)性沉積物的任何材料或物質(zhì)。在優(yōu)選實施例中，一個或多個反應(yīng)性沉積物用于通過與一個人的固體、液體或氣體的人類副產(chǎn)物(例如，體液(例如，唾液、血液、汗液、淚液、呼吸氣體等)或其他身體物質(zhì)(例如，皮膚、頭發(fā)、組織樣本、排泄物等))反應(yīng)而診斷一個人的醫(yī)學(xué)狀況，以產(chǎn)生醫(yī)學(xué)診斷結(jié)果或指示。在另一實施例中，反應(yīng)性沉積物可以用于通過使電流流過生物試樣而提供結(jié)果。指示劑可以適合于在存在預(yù)定化學(xué)物或物質(zhì)的情況下以預(yù)定方式選擇性的改變，從而提供對化學(xué)物或物質(zhì)的存在性或具體濃度的指示。在具體實施例中，上面沉積有墨水的聚合物襯底代表用于對材料試樣進(jìn)行測試的診斷測試設(shè)備。方法還包括采用紫外線(UV)光來固化墨水。方法還包括采用壓電打印頭來促進(jìn)固化聚合物襯底上所沉積的材料，所述壓電打印頭耦合到UV光源。UV光源和打印頭連接到控制器?？梢圆捎脡弘姶蛴☆^和蝕刻劑容器來選擇性的蝕刻聚合物材料，從而在襯底上或中產(chǎn)生一個或多個蝕刻特征。蝕刻特征的示例包括微流體通道。在產(chǎn)生蝕刻特征之后，壓電打印頭用于以相對于一個或多個蝕刻特征處于預(yù)定空間關(guān)系的方式來選擇性的沉積墨水。根據(jù)需要，例如通過沉積UV可固化透鏡材料液滴，可以在聚合物襯底上產(chǎn)生附加特征(例如，透鏡)。打印口可以包括耦合到光學(xué)纖維束的按需噴墨(Drop On Demand,D0D) 打印頭，其中光學(xué)纖維束適合于傳輸U(kuò)V光。通過使用非接觸式印刷方法以在聚合物襯底上產(chǎn)生特征可以促進(jìn)本說明書中的實施例。特征可以包括蛋白質(zhì)、指示劑材料、醫(yī)學(xué)診斷測試材料等。在優(yōu)選實施例中，特征是三維的，但是本說明書中討論的機(jī)制和方法可以適合于二維或基本一維的結(jié)構(gòu)。


圖1是用于在聚合物襯底上印刷特征的示例性系統(tǒng)的圖。圖2是示例性組裝線的圖，所述示例性組裝線采用圖1的系統(tǒng)以在聚合物襯底上產(chǎn)生多個診斷測試設(shè)備。圖3是適合于同圖1的系統(tǒng)一起使用的第一示例性方法的流程圖。圖4是適合于同圖1的系統(tǒng)一起使用的第二示例性方法的流程圖。圖5是適合于同圖1的系統(tǒng)一起使用的第三示例性方法的流程圖。
具體實施例方式盡管參考本發(fā)明的具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是這些具體實施例僅僅是示例性的、而非限制性的。盡管本發(fā)明主要涉及用于為醫(yī)學(xué)診斷而在襯底上印刷生物材料和相關(guān)特征裝置、系統(tǒng)和方法，但是實施例不限于此。例如，本說明書中討論的印刷設(shè)備和方法可以用于需要在聚合物襯底上沉積其他類似的極小特征的各種不同的應(yīng)用。示例性應(yīng)用包括在聚合物襯底上印刷一定的反光材料或鏡面以用于光學(xué)應(yīng)用。為了清楚起見，從一些附圖中省略了一些眾所周知的組件，例如計算機(jī)、硬盤驅(qū)動器、處理器、操作系統(tǒng)、用戶界面、電源、打印頭柔性電路等。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)將得知運(yùn)行哪個組件和如何運(yùn)行這些組件以滿足給定應(yīng)用的需求。圖1是用于在聚合物襯底48上印刷特征40-46的示例性系統(tǒng)10的圖。系統(tǒng)10 包括專用壓電打印頭18，所述打印頭18連接到打印頭致動器14。壓電打印頭18還包括生物墨水容器觀、蝕刻劑容器30和透鏡材料容器32。每個容器觀-32耦合到分別的打印噴嘴36、噴嘴致動器38和紫外線(UV)光源34。通常，可以使用任何類型的適當(dāng)固化方法，例如熱固化、激光固化等。墨水可以包括導(dǎo)電材料。
打印頭致動器14和打印頭18與控制器16通信，所述控制器16包括用于控制打印頭致動器14的致動器控制器22、用于控制噴嘴38的噴嘴控制器M和用于控制UV光源 34的UV控制器26。打印頭控制器16還與印刷軟件12通信，所述印刷軟件12可以包括驅(qū)動程序、用于設(shè)計將通過系統(tǒng)10產(chǎn)生的特征的應(yīng)用程序等。在運(yùn)行中，系統(tǒng)10適合于在聚合物襯底48上打印特征40-46。根據(jù)應(yīng)用，特征 40-46可以顯示出微米尺度尺寸。微米尺度尺寸可以是小于約500微米的任何尺寸。打印頭18適合于與聚合物襯底48保持大于二分之一英寸，以促進(jìn)通過UV光源34來固化、并且防止對特征40-46的任何損壞，相反打印頭18與特征40-46的接觸會引起對特征40-46的損壞。在本實施例中，打印頭18定位成與聚合物襯底的表面距離約一英寸，但是更大或更小的距離也是可行的。應(yīng)當(dāng)注意，盡管在本示例性實施例中為了進(jìn)行說明而只示出了一個打印頭18，但是實際上，系統(tǒng)10可以包括多個打印頭。在給定實施方式中所采用的打印頭的精確數(shù)量是面向應(yīng)用的，并且可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易的確定以滿足給定應(yīng)用的需求。此外，打印頭18可以包括比所示的三個容器觀-32更多或更少的容器和伴隨的打印噴嘴36。為了進(jìn)行說明，在聚合物襯底48中或上所產(chǎn)生的特征40-46包括微通道40。微通道40可以是微流體通道，所述微流體通道可以用于(例如通過毛細(xì)管作用)將液體傳輸至聚合物襯底48的表面上，以滿足給定應(yīng)用的需求。為了本發(fā)明的目的，微流體通道可以是以一個或多個維度小于20微米為特征的任何通道、槽或管，其中通道適合于使一定的流體在該通道內(nèi)部傳輸或傳輸通過該通道。示例性特征40-46還包括印刷透鏡42，所述印刷透鏡42設(shè)置在選擇性沉積的生物指示劑材料44上。為了進(jìn)行說明，一些生物指示劑材料顯示為沉積在透鏡42下方，所述透鏡42形成在生物指示劑材料上。為了本發(fā)明的目的，生物材料可以是從活著或死亡的生命形式獲得的任何材料。生物材料通常是有機(jī)材料，例如蛋白質(zhì)、DNA片段等。指示劑材料可以是適合于在存在預(yù)定化學(xué)物或物質(zhì)的情況下、以預(yù)定方式選擇性的變化的任何材料或物質(zhì)，從而提供存在化學(xué)物或物質(zhì)的指示、或化學(xué)物或物質(zhì)的具體濃度。應(yīng)當(dāng)注意，指示劑材料不限于檢測物質(zhì)的存在性，而且一些指示劑材料還可以促進(jìn)對在施加到指示劑材料的試樣內(nèi)的一些化學(xué)物或物質(zhì)的濃度的檢測。生物指示劑材料可以是即作為生物材料又作為指示劑材料的任何材料。因此，系統(tǒng)10表示能夠在聚合物或聚合襯底48上印刷各種特征40-46的壓電印刷設(shè)備，如下將更充分描述的，所述特征包括微透鏡(例如，透鏡42)、生物材料(例如，蛋白質(zhì)、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)反應(yīng)物)、(例如用于測量膽固醇的)醫(yī)學(xué)診斷指示劑材料44 等。如下將更充分描述的，系統(tǒng)10還可以選擇性的在聚合物襯底48中和上沉積生物材料 44、和/或以相對于聚合物襯底48中蝕刻的三維特征處于所需空間關(guān)系的方式沉積生物材料44。為了本發(fā)明的目的，印刷設(shè)備可以是能夠響應(yīng)于來自控制器的控制信號而輸出材料的所需圖案的任何設(shè)備。壓電打印頭可以是適合與響應(yīng)于施加預(yù)定電壓或電流而產(chǎn)生力的材料一起起作用的任何打印頭。所述材料稱作壓電材料。壓電打印頭可以采用包含壓電材料的墨水。在采用壓電墨水的情況下，把電壓或電流施加到填充有墨水的打印頭噴嘴會導(dǎo)致墨水從噴嘴噴出。或者，打印頭可以采用壓電晶體，所述壓電晶體由電壓或電流激勵以產(chǎn)生聲學(xué)震蕩波，所述聲學(xué)震蕩波用于使材料從打印頭的噴嘴被印刷。采用壓電打印頭的打印機(jī)稱作壓電打印機(jī)或壓電印刷設(shè)備。在示例性操作方案中，系統(tǒng)10的用戶采用印刷軟件12來設(shè)計特征的所需布局，所述特征將通過印刷軟件12而被打印在聚合物襯底48上。在這種情況下，設(shè)計的特征包括特征40-46。特征40-46共同被稱作待印刷的場景。在設(shè)計所需印刷場景之后，用戶采用印刷軟件12來激活控制器16。然后，控制器 16通過將控制信號發(fā)送至致動器14來控制打印頭18的移動，并且控制器16還通過將適當(dāng)?shù)目刂菩盘柊l(fā)送至噴嘴致動器38、來控制時間安排和從每個容器觀-32散布材料。在當(dāng)前的具體示例性實施例中，容器觀-32包括UV可固化材料，S卩，響應(yīng)于施加UV 能量而適當(dāng)?shù)挠不蚋淖兤渌匦缘牟牧稀Ｒ驗橥ㄟ^施加所需波長和強(qiáng)度的光子可以改變 UV材料的一個或多個材料特性，所以UV材料被認(rèn)為是光敏材料。為了本發(fā)明的目的，UV光源可以包括能夠輸出以中心波長的長度在150nm到450nm之間為特征的電磁能的任何設(shè)備。類似的，UV光可以是以中心波長的長度在150nm到450nm之間為特征的任何電磁能。通常，容器觀-32中的材料是非牛頓流體，但是可以使用其他類型的流體。為了本發(fā)明的目的，非牛頓流體可以是不具有單一均勻的恒定粘度的任何流體。生物墨水容器觀包括指示劑材料，當(dāng)所述指示劑材料被印刷在聚合物襯底48上并且固化時，所述指示劑材料可以用于檢測或感知物質(zhì)或物質(zhì)的濃度。例如，指示劑材料可以包括用于測量低密度脂蛋白(LDL)或聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)反應(yīng)物的化學(xué)物(例如， Dil-LDL(Dil標(biāo)記低密度脂蛋白)標(biāo)記材料)。例如，PCR材料可以包括含有百分之二十五的甲苯和百分之七十五的苯氧基2-丙醇(phenoxy 2-propanol)的溶液；或含有百分之十五的甲苯、百分之五十的苯氧基2-丙醇和百分之三十五的甲基丙烯酸甲酯的溶液；或含有百分之七十五的乙醇和百分之二十五的1，2，3_丙三醇(propane，1，2，3 triol)的溶液。還可以將乙醇胺加到溶液。應(yīng)當(dāng)注意，其他化學(xué)配方和百分比也是可行的?？梢园ㄟm當(dāng)?shù)念伾淖儓蟮婪肿?。例如，可?yīng)用的顏色改變報道分子的特征可以是中心吸收波長處于或接近780nm、650nm或405nm。合理使用顏色改變報道分子可以促進(jìn)在對所需波長進(jìn)行反應(yīng)之前和反應(yīng)之后調(diào)節(jié)指示劑光密度。應(yīng)當(dāng)注意，生物墨水容器28還可以包括導(dǎo)電材料，以促進(jìn)打印頭噴嘴36的壓電致動。此外，應(yīng)當(dāng)注意，導(dǎo)電材料還可以用于各種醫(yī)學(xué)和研究應(yīng)用。例如，導(dǎo)電聚合物材料可以用于在聚合物襯底上沉積電路，其中，電路可以用于測量應(yīng)用于該電路的試樣的電阻率， 從而提供對材料試樣的組成中的材料成分。墨水容器觀中的指示劑材料可以是包含蛋白質(zhì)的墨水，其中，墨水包括酶結(jié)合緩沖液、甘油(代替苯氧基2-丙醇)。用于讀取最終印刷的生物材料的光的波長可以與材料的最大反射率或光吸收特性相一致。例如，在本實施例中，在與待分析物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)之前和之后，調(diào)節(jié)指示劑光密度值以匹配所需波長。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)可以執(zhí)行這種調(diào)節(jié)而不需要過多實驗，例如通過改變墨水容器28中特定成分的比率。生物墨水容器中的生物墨水和伴隨的指示劑材料適合于通過交聯(lián)反應(yīng)與聚合物襯底48結(jié)合，這會產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)合，當(dāng)通過UV光源34來固化時所述交聯(lián)結(jié)合的鍵保持不變。 為了本發(fā)明的目的，交聯(lián)結(jié)合可以是由聚合物材料中的一個或多個碳鏈之間的反應(yīng)所促進(jìn)的任何化學(xué)或機(jī)械結(jié)合。用于促進(jìn)與已沉積材料的交聯(lián)結(jié)合的示例性的適當(dāng)聚合物襯底材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。生物墨水可以包括附加成分(例如，銀)和乙醇以促進(jìn)響應(yīng)于施加UV光而快速蒸發(fā)。在本實施例中，通過光源34的UV固化包括施加以中心波長在200nm和300nm之間為特征的UV激光脈沖光。激光脈沖光的能量密度是約200焦耳每平方厘米到1000微焦耳每平方厘米。在具體實施方式
中，能量密度為約400焦耳每平方厘米。在本示例性實施例中，激光脈沖持續(xù)時間是約5毫秒。應(yīng)當(dāng)注意，對于給定聚合物襯底和待固化材料的UV 激光波長、脈沖長度、能量密度等的恰當(dāng)組合可以是面向應(yīng)用的，并且可以取決于所使用的材料、和打印頭18和聚合物襯底48之間的距離。在本實施例中，打印頭18的噴嘴36距離聚合物襯底的表面20約1微米。本說明書中公開的實施例可用的、可以用于與一些生物指示劑材料混合的示例性墨水包括從位于New Mexico的Albuquerque的Cabot Corporation得到的導(dǎo)電墨水(產(chǎn)品目錄號CCI-300)。當(dāng)光源代表光學(xué)纖維絲或纖維束時，可以用作UV光源以供應(yīng)光源34的示例性激光器是單脈沖UV Ophire激光器蝕刻劑容器30包括能夠蝕刻聚合物襯底的材料。例如，蝕刻劑可以包括由百分之七十的甲乙酮(MEK)和百分之三十的奧克利林0-ethylhexyl-2-cyano-3，3-diphenyl aery late)組成的溶液。透鏡材料容器32包括透鏡材料，所述透鏡材料在固化前保持在液體狀態(tài)、并且在固化后保持透明。可以通過在聚合物襯底48上沉積透鏡材料的斑點而形成透鏡42。通過對沉積到與透鏡42相對應(yīng)的斑點的透鏡材料的量和透鏡材料的粘度進(jìn)行調(diào)整，可以控制所述斑點的尺寸和形狀。通過選擇性地改變材料配方可以調(diào)整透鏡材料的粘性。例如，透鏡材料配方包括PMMA和/或聚二甲基硅氧烷(PDMS)、水、聚乙烯醇、Irgacure (184，比率為 2-4% )的混合物。應(yīng)當(dāng)注意，聚合物襯底48還可以由PMMA和/或PDMS制成。在一個操作方案中，驅(qū)動打印頭18和噴嘴36，以首先采用來自蝕刻劑容器30的蝕刻劑來蝕刻聚合物襯底，形成三維襯底特征(例如，微流體通道40和用于容納指示劑材料 46的槽)。然后，驅(qū)動UV光源34以照射已沉積蝕刻劑的區(qū)域，從而加速蝕刻劑從聚合物襯底48的蒸發(fā)和去除。然后，在將透鏡材料42沉積在襯底48上的所需位置上之前，來自生物墨水容器觀的指示劑材料被沉積在襯底48上、并通過UV光源34進(jìn)行固化。應(yīng)當(dāng)注意， 如果具體應(yīng)用需要的話，可以以任何適用的順序、或同時地執(zhí)行指示劑材料44和透鏡材料 42的沉積、和創(chuàng)建蝕刻的襯底特征40-46。此外，可以通過打印頭18的單遍打印來形成所有的特征40-46。但是應(yīng)當(dāng)注意，可以采用多遍印刷，這并不脫離本發(fā)明的范圍。應(yīng)當(dāng)注意，盡管在本示例性實施例中，三個不同的流體容器觀-32耦合到能夠分開致動的不同的噴嘴36，但是可以采用更多或更少的容器，并且容器可以包含本說明書沒有討論的材料。此外，流體容器觀-32不需要作為打印頭組件18的一部分。例如，流體容器觀-32可以離開打印頭18而遠(yuǎn)程定位，同時流體容器仍然通過導(dǎo)管或管路來傳送流體容器內(nèi)容納的材料。每個容器觀-32中的材料的具體細(xì)節(jié)是面向應(yīng)用的。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)可以適當(dāng)?shù)倪x擇材料以滿足具體應(yīng)用的需求而不需要過多的實驗。
在從一個或多個容器觀-32散布所需材料之后，通過由UV控制器36來選擇性的驅(qū)動UV光源34可以使材料固化。應(yīng)當(dāng)注意，在本具體示例性實施例中，UV光源可以單獨的發(fā)光二極管(LED)、或者是用于使來自不同來源的UV光改變方向的光學(xué)纖維束(也稱作光纖波導(dǎo))。打印頭致動器38可以包括壓電晶體，所述壓電晶體響應(yīng)于來自控制器16的適當(dāng)控制信號而產(chǎn)生震蕩波，所述震蕩波足以散布來自一個或多個附屬容器觀-32的液體。應(yīng)當(dāng)注意，可以采用其他類型的壓電流體散布機(jī)構(gòu)，這并不脫離本發(fā)明的范圍。例如，容器 28-32中容納的墨水和其他材料可以包括壓電材料，所述壓電材料對施加到該壓電材料的電流或電壓敏感。將適當(dāng)?shù)碾妷夯螂娏魇┘訃娮?6的兩端或噴嘴36上，足以散布自容器 28-32的適當(dāng)流體。此外，應(yīng)當(dāng)注意，在某些實施方式中可以材料除了壓電印刷機(jī)構(gòu)之外的其他類型的印刷機(jī)構(gòu)，這并不脫離本發(fā)明的范圍。打印頭18可以被看作按需打印型設(shè)備，所述按需打印型設(shè)備可以用于按照要求將材料斑點布置在所需位置上。應(yīng)當(dāng)注意，印刷軟件12可以適合于指示控制器16，以使得在打印頭在聚合物襯底48上方進(jìn)行特定印刷時，打印頭18將多個材料斑點布置在聚合物襯底48上的具體位置上。這對于創(chuàng)建某些三維結(jié)構(gòu)非常有用，通過選擇性的創(chuàng)建沉積材料的厚的和薄的區(qū)域來形成所述三維結(jié)構(gòu)。此外，材料的具體沉積(如印刷的生物材料特征44所示的)可以包括來自不同容器的多層不同類型的生物材料，以創(chuàng)建指示劑或測試材料，所述指示劑或測試材料對待分析的具體試樣中的化學(xué)物的寬濃度范圍敏感。應(yīng)當(dāng)注意， 盡管打印頭18顯示為只包括三個容器，但是可以采用附加容器，所述附加容器包括不同類型的生物指示劑材料。在本示例性實施例中，結(jié)構(gòu)48、和在結(jié)構(gòu)48上或中形成的附屬特征40-46可以共同被稱作診斷測試設(shè)備。為了本發(fā)明的目的，診斷測試設(shè)備可以是適合于對試樣的具體化學(xué)物或物質(zhì)或其濃度進(jìn)行測試的任何裝置、系統(tǒng)、或沉積的材料或結(jié)構(gòu)或其集合。如上所述的系統(tǒng)10 ( S卩，印刷設(shè)備)可以印刷兩微米或更小尺寸的斑點，同時定位和尺寸容差為約1微米或更小。使用應(yīng)用于一類新型壓電打印機(jī)的穩(wěn)定的印刷配方不僅可以印刷兩微米的斑點，而且能夠產(chǎn)生微通道、(例如用于信噪比放大的)透鏡等。讀取和檢查特征40-46的讀取器可以用于分析和獲取一定的測試結(jié)果。光學(xué)拾取單元可以用于在780nm、650nm或405nm下讀取。因此，在處于或接近上述波長時，指示劑材料中使用的報道分子可以與光密度一致的進(jìn)行調(diào)節(jié)。在涉及在聚碳酸酯襯底上印刷的應(yīng)用中，用于容器觀-32中的材料的適合的溶劑可以包括但不限于甲乙酮(MEK)、1-環(huán)戊烷等。通過附加的或不同的容器和打印頭、或容器可以將覆蓋材料印刷在特征40-46上。覆蓋材料的示例包括但不限于PMMA、MA(甲基丙烯酸甲酯)、環(huán)戊烷等。圖2是示例性組裝線60的圖，所述組裝線60采用圖1的系統(tǒng)10來在聚合物襯底上生成多個診斷測試設(shè)備。應(yīng)當(dāng)注意，一些處理階段62-72 (例如，蝕刻劑蒸發(fā)處理階段64)可以省略、以處理順序重新排序、或與不同的處理階段互換，這些都不脫離本發(fā)明的范圍。此外，通過一個或多個打印頭的單遍打印，可以并行的或大致同時的執(zhí)行各種階段62-72中的一個或多個。此外，組裝線60可以用于生成其他的微結(jié)構(gòu)聚合物設(shè)備 (Microstructured Polymeric Device ；MPD)，而不僅僅是診斷測試設(shè)備。例如，可以生成機(jī)器可讀MPD設(shè)備；專用的聚合物覆蓋材料可以沉積在MPD設(shè)備上，以覆蓋設(shè)備并提高設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命等。在本示例性實施例中，多個襯底(可以是聚合物晶片)供應(yīng)至第一蝕刻處理階段 62的處理60。在蝕刻處理階段62中，通過由印刷設(shè)備(例如，通過圖1所示的系統(tǒng)10)來施加蝕刻劑，將三維特征(例如，流體通道、凹坑或其他所需特征)蝕刻在聚合物晶片中。然后，將晶片供應(yīng)至蝕刻劑蒸發(fā)處理階段64。在蝕刻劑蒸發(fā)處理階段64中，在將晶片供應(yīng)至透鏡沉積處理階段66之前，UV光用于從晶片表面蒸發(fā)和去除蝕刻劑。透鏡沉積處理階段66包括將透鏡材料沉積在每個晶片上的預(yù)定所需位置中或上。然后，通過紫外線固化處理階段68來使已沉積的透鏡材料固化。在該階段，通過將UV光施加到晶片上的已沉積透鏡材料的位置，采用UV光來固化已沉積的透鏡材料。然后，將晶片供應(yīng)至生物材料沉積處理階段70。在生物材料沉積處理階段70中，將生物材料(例如，用于醫(yī)學(xué)診斷測試的材料) 沉積在晶片上的預(yù)定所需位置處，直到在最終固化處理階段72中通過應(yīng)用UV光來使已沉積的生物材料固化。應(yīng)當(dāng)注意，從最終固化處理階段72連續(xù)輸出晶片的最小時間間隔與處理階段 62-72當(dāng)中最長的一個相對應(yīng)。使用根據(jù)本發(fā)明的處理(例如，圖2中所示的處理)可以不需要通過拾取和放置組件來在聚合物襯底上組裝小結(jié)構(gòu)，因為可以在線(in-line或at-line)形成特征和部件。此外，應(yīng)當(dāng)注意，可以采用本說明書中討論的材料和材料的組合，這不脫離本發(fā)明的范圍。例如，可以使用具有不同折射率的材料的組合來生成透鏡，從而可以對焦點進(jìn)行定制。圖3是第一示例性方法80的流程圖，所述第一示例性方法80適合與圖1的系統(tǒng) 10 一起使用以生成診斷測試設(shè)備。方法80包括第一步驟82，所述第一步驟82包括接收包含有指示劑材料的墨水。第二步驟82包括采用一個或多個壓電打印頭來將墨水沉積在聚合物襯底上，其中，墨水已經(jīng)沉積在上面的聚合物襯底代表診斷測試設(shè)備。第三步驟84包括采用UV光來固化墨水，其中，可以通過一個或多個光源來施加UV 光，所述一個或多個光源耦合到一個或多個壓電打印頭當(dāng)中的每個壓電打印頭。圖4是第二示例性方法90的流程圖，所述第二示例性方法90用于在聚合物襯底上生成一個或多個所需特征，所述方法適合與圖1的系統(tǒng)10—起使用。第二示例性方法90 包括通道形成步驟92，所述通常形成步驟92包括采用壓電打印機(jī)來在聚合物襯底中或上形成微流體通道。之后的透鏡沉積步驟94包括使用壓電打印機(jī)在聚合物襯底上印刷透鏡材料。然后，指示劑印刷部分96包括在聚合物襯底上印刷指示劑材料。最后，固化步驟98包括使紫外線(UV)光源發(fā)光照射透鏡材料，以促進(jìn)將透鏡材料和指示劑材料結(jié)合到聚合物襯底、并且促進(jìn)對透鏡材料的硬化和固化，所述紫外線光源耦合到壓電打印機(jī)的一個或多個打印頭。圖5是第三示例性方法100的流程圖，所述第三示例性方法100適合與圖1的系
1統(tǒng)10 —起使用。第三示例性方法100薄初始蝕刻步驟102，所胡初始蝕刻步驟102包括 采用與蝕刻劑連通的壓電打印頭來選擇性的在聚合物襯底中蝕刻一個或多個三維特征。
之后的指示劑沉積步驟104包括以相對于已經(jīng)蝕刻在襯底中或上的一個或多個三維特征成預(yù)定關(guān)系的形式，使用與墨水連通的壓電打印頭來選擇性的在聚合物襯底上印刷墨水，其中，墨水包含化學(xué)指示劑。 然后，UV固化步驟106包括選擇性的使UV光源指向打印頭以固化墨水，所述UV光源耦合到壓電打印頭。最終步驟包括通過單遍印刷來執(zhí)行上述步驟102-106。為了本發(fā)明的目的，單遍印刷可以表示并行的或連續(xù)的在襯底上沉積材料的任意集合，其中，在沒有從打印機(jī)下方的區(qū)域移除襯底的情況下(例如，用于烘烤或其他步驟)和在相繼的印刷操作之間不需要實質(zhì)性延遲的情況下來執(zhí)行沉積。實質(zhì)性延遲可以是超過1秒的任何延遲。應(yīng)當(dāng)注意，圖3-5中所示的方法并不是詳盡無遺的在本發(fā)明范圍內(nèi)可存在的方法。例如，另一替換方法包括采用壓電打印機(jī)在聚合物襯底上印刷非牛頓流體，以全部通過非接觸式的單遍印刷或處理步驟來構(gòu)造半球形透鏡、微流體通道、醫(yī)學(xué)指示劑。另一示例性方法包括將醫(yī)學(xué)指示劑材料溶解在具有已調(diào)節(jié)粘性的印刷制劑中， 以用于印刷?；旌系闹苿┛梢赃m合于交聯(lián)到聚合物襯底，從而提高最終產(chǎn)品的保存期限和穩(wěn)定性?；旌系闹苿┛梢园ㄗ鳛槿軇┑木垡蚁┐?，聚乙烯醇可以促進(jìn)固化。印刷斑點尺寸可以為約兩微米，但是其他斑點尺寸也是可行的。在本示例性替換方法中，待印刷的非牛頓流體具有九微米的最大顆粒大小。各種墨水可以適合與根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)構(gòu)造的實施例一起使用。例如，可以采用響應(yīng)于施加UV光而聚合成硬化表面的各種光敏化合物(S卩，經(jīng)歷光致聚合作用的化合物)。 上述化合物可以包括感光引發(fā)劑(例如，光敏催化劑)，所述感光引發(fā)劑分解成與墨水中的低聚物反應(yīng)的反應(yīng)物以引發(fā)聚合作用，產(chǎn)生包含所需填充劑和色素的聚合物膜。在某些應(yīng)用中，可以通過0. 2微米過濾器來對所使用的染料和色素進(jìn)行過濾以提高性能。示例性染料包括25ml的甲基丙烯酸甲酯(MMA)(可通過Aesar得到(alpha Aesar MMA, Cat#13010))與0. 25ml的稀釋于環(huán)戊烷中的染料結(jié)合，以促進(jìn)產(chǎn)生小于60微米的非常小的斑點尺寸。已沉積的墨水和材料可以促進(jìn)所謂的雙模式分離。例如，在某些實施方式中，例如，在蛋白質(zhì)的一些納米團(tuán)簇上印刷丙烯酸-共-苯乙烯磺酸-共乙烯基磺酸(acrylic acid-co-styrene sulfonic acid-co-vinyl sulfonic acid)，可以使得與蛋白質(zhì)產(chǎn)生靜電相互作用和疏水相互作用，以增強(qiáng)對目標(biāo)產(chǎn)品的特異性。這種雙模式分離在各種應(yīng)用(例如從復(fù)雜混合物中回收蛋白質(zhì))中是有用的。墨水和附屬指示劑可以被印刷在聚合物襯底上的具體區(qū)域上，產(chǎn)生具有重疊特異性的指示劑，以減少產(chǎn)生通過最終的診斷測試設(shè)備所獲得的錯誤陽性指示和錯誤陰性指
7J\ ο因此，盡管描述了用于生成醫(yī)學(xué)診斷測試設(shè)備和微尺度特征(例如，通道和透鏡) 的一些實施例，但是其他應(yīng)用也是可行的。盡管主要討論了壓電印刷，但是可以采用其他形式的非接觸印刷(例如，按需噴墨、羽毛筆、連續(xù)噴墨等)。任何合適的編程語言可以用于實現(xiàn)具體實施例的程序(例如，印刷軟件、控制器等中所包含的程序)。示例性的編程語言包括C、C++、Java、匯編語言等。例如，不同的編程技術(shù)可以用作面向程序的或面向?qū)ο蟮?。程序可以在單一處理設(shè)備或多個處理器上執(zhí)行。 盡管可以以特定順序表現(xiàn)出步驟、操作、或計算，但是在不同的具體實施例中這個順序可以改變。在某些具體實施例中，在本說明書中顯示為相繼的多個步驟可以同時執(zhí)行。具體實施例可以在通過或結(jié)合指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置、系統(tǒng)或設(shè)備來使用的計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中實現(xiàn)?？梢砸攒浖⒒蛴布?、或軟件與硬件的組合中的控制邏輯的形式來實現(xiàn)具體實施例。當(dāng)控制邏輯由一個或多個處理器所執(zhí)行時，所述控制邏輯可操作以執(zhí)行具體實施例中描述的內(nèi)容。通過使用編程通用數(shù)字計算機(jī)、通過使用專用集成電路、可編程邏輯器件、現(xiàn)場可編程門陣列、光學(xué)的、化學(xué)的、生物的、量子的或納米工程的系統(tǒng)、組件和機(jī)構(gòu)，可以實現(xiàn)具體實施例。通常，通過任何本領(lǐng)域中已知的方法可以實現(xiàn)具體實施例的功能。可以使用分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、組件和/或電路?？梢酝ㄟ^有線、無線、或通過任何其他方法可以通信或傳輸數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)理解，附圖中所示的一個或多個元件也可以以更加分離或集成的方式來實現(xiàn)、甚至可以去除、或著使其在某些情況下成為不可操作的而在具體應(yīng)用中是有用的。實現(xiàn)可以存儲在機(jī)器可讀介質(zhì)中以使得計算機(jī)能夠執(zhí)行上述任意方法的程序和代碼，同樣在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。如在本說明書中和權(quán)利要求書中所使用的，除非文章中另有明確說明，否則“一個”和“該”包括復(fù)數(shù)關(guān)系。同樣，如在本說明書中和權(quán)利要求書中所使用的，除非文章中另有明確說明，否則“在……中”的含義包括“在……之內(nèi)”和“在……之上”。因此，盡管在本說明書中描述了具體實施例，但是前面的描述中留有進(jìn)行修改、各種改變和替換的余地，并且應(yīng)當(dāng)理解，在某些情形中，可以采用具體實施例的某些特征而不相應(yīng)的使用其他特征，這也不脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，可以進(jìn)行很多修改以使得具體情況或材料適應(yīng)于基本范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種用于在襯底上印刷生物活性結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括如下步驟接收墨水，所述墨水包括指示劑材料，其中，所述指示劑材料對于人類副產(chǎn)物是反應(yīng)性的；并且采用非接觸式打印頭來將所述墨水沉積在所述襯底上，以形成三維結(jié)構(gòu)，其中，所述三維結(jié)構(gòu)包括所述生物活性結(jié)構(gòu)以用于醫(yī)學(xué)診斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述襯底包括聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括采用紫外線(UV)光來固化所述墨水。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述墨水包括導(dǎo)電材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述采用步驟還包括采用壓電打印頭，所述壓電打印頭具有耦合到所述壓電打印頭的UV光源，其中，所述UV光源與控制器通信。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括采用壓電打印頭和蝕刻劑容器，以選擇性地蝕刻聚合物材料，從而形成其上或其中具有一個或多個蝕刻特征的襯底。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述一個或多個特征包括一個或多個微流體通道。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括以相對于所述一個或多個蝕刻特征處于預(yù)定空間關(guān)系的方式，采用所述壓電打印頭來選擇性地沉積所述墨水。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述墨水包括非牛頓流體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括采用所述壓電打印頭和內(nèi)有液態(tài)透鏡材料的容器，以在所述襯底上印刷微透鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括通過適合于輸出UV光的設(shè)備來使印刷的液態(tài)透鏡材料固化，所述設(shè)備耦合到所述打印頭和控制器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述打印頭包括耦合到光學(xué)纖維束的按需噴墨 (DOD)打印頭，其中，所述光學(xué)纖維束適合于傳輸U(kuò)V光。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述襯底包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述墨水以一種或多種光敏化合物為特征。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述墨水適合于與聚合物襯底形成交聯(lián)結(jié)合， 所述交聯(lián)結(jié)合在通過UV光使所述墨水固化之后而耐久。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，壓電打印頭適合于在打印過程中不與聚合物襯底接觸。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述壓電打印頭適合于與所述聚合物襯底保持大于二分之一英寸。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述打印頭包括壓電晶體，所述壓電晶體適合于輸出聲波，以促進(jìn)從一個或多個打印頭噴嘴輸出所述墨水和所述指示劑材料。
19.一種壓電印刷裝置，其包括壓電打印頭；紫外線(UV)光源，其耦合到所述壓電打印頭；控制器，其與所述壓電打印頭和所述UV光源通信；和墨水容器，其耦合到所述壓電打印頭，所述墨水容器包括墨水，所述墨水包含生物活性指示劑材料，所述墨水適合于響應(yīng)于從所述UV光源施加UV光而固化。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述墨水包括一種或多種適合于結(jié)合到聚合物襯底的成分。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述墨水包括導(dǎo)電墨水，所述導(dǎo)電墨水包含生物材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述墨水包括聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)反應(yīng)物。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述墨水包括指示劑材料，所述指示劑材料與低密度脂蛋白質(zhì)反應(yīng)。
24.—種壓電印刷系統(tǒng)，其包括 聚合物襯底；第一容器，其容納足以蝕刻所述聚合物襯底的蝕刻劑；第二容器，其容納墨水，所述墨水包括生物活性指示劑材料，其中，所述指示劑材料適合于促進(jìn)對設(shè)置在所述指示劑材料上或附近的生物試樣的特性進(jìn)行檢測； 壓電打印頭，其與所述第一容器和所述第二容器流體連通；和控制器，其適合于控制所述打印頭，以使得能夠通過將所述蝕刻劑施加到所述聚合物襯底來蝕刻所述聚合物襯底，以在所述聚合物襯底上或中產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的產(chǎn)生蝕刻襯底。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器還適合于選擇性的在所述襯底上沉積所述指示劑材料。
26.一種用于在聚合物襯底上印刷一個或多個特征的方法，所述方法包括 采用壓電打印機(jī)以在所述聚合物襯底中或上形成微流體通道；使用所述壓電打印機(jī)以在所述聚合物襯底上印刷透鏡材料；和使用紫外線(UV)光源來選擇性的使所述透鏡材料硬化并且使所述透鏡材料結(jié)合到所述聚合物襯底，所述紫外線光源耦合到所述壓電打印機(jī)的一個或多個打印頭。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的方法，其中，所述采用步驟還包括在單遍印刷中通過壓電打印頭的一個或多個噴嘴選擇性地輸出蝕刻劑，并且采用所述UV光源以從所述聚合物襯底蒸發(fā)所述蝕刻劑。
28.一種用于在聚合物襯底上印刷的方法，所述方法包括采用與蝕刻劑連通的壓電打印頭，以選擇性地在所述聚合物襯底中蝕刻一個或多個三維特征；使用與墨水連通的壓電打印頭，以相對于所述一個或多個三維特征處于預(yù)定關(guān)系的方式，來選擇性地在所述聚合物襯底上印刷所述墨水，其中，所述墨水包含化學(xué)指示劑； 采用紫外線光源來固化已經(jīng)沉積在所述聚合物襯底上的所述墨水；和在單遍印刷中執(zhí)行上述步驟。
29.一種用于在聚合物襯底上產(chǎn)生一個或多個所需特征的方法，所述方法包括如下步驟通過選擇性地施加蝕刻劑來選擇性地蝕刻所述聚合物襯底，相應(yīng)地產(chǎn)生蝕刻微流體通道，其中，通過印刷設(shè)備來執(zhí)行所述蝕刻劑的施加； 選擇性地在所述聚合物襯底上沉積透鏡材料；和通過施加紫外線光來固化所述透鏡材料。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，還包括在單遍印刷中執(zhí)行權(quán)利要求四中的兩個或多個步驟。
31.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，還包括通過所述印刷設(shè)備將墨水沉積在所述聚合物襯底上。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述印刷設(shè)備包括壓電打印頭。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述印刷設(shè)備包括壓電打印機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于在聚合物襯底上印刷一個或多個所需特征的方法。在示例性實施例中，方法包括接收墨水，所述墨水包括生物活性指示劑材料；和采用壓電打印頭來將墨水沉積在聚合物襯底上。上面沉積有墨水的聚合物襯底代表用于對材料試樣執(zhí)行測試的診斷測試設(shè)備。方法還包括采用紫外線(UV)光來固化墨水。墨水可以包括導(dǎo)電材料。UV光源可以耦合到壓電打印頭，并且響應(yīng)于來自控制器的控制信號而被驅(qū)動，以促進(jìn)固化聚合物襯底上所沉積的材料。
文檔編號G01N33/48GK102326077SQ201080008407
公開日2012年1月18日 申請日期2010年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月18日
發(fā)明者理查德·塞林弗倫德 申請人:索尼公司, 索尼達(dá)德克美國有限公司