CN102326077A - 印刷生物活性材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于在聚合物衬底上印刷一个或多个所需特征的方法。在示例性实施例中，方法包括：接收墨水，所述墨水包括生物活性指示剂材料；和采用压电打印头来将墨水沉积在聚合物衬底上。上面沉积有墨水的聚合物衬底代表用于对材料试样执行测试的诊断测试设备。方法还包括采用紫外线(UV)光来固化墨水。墨水可以包括导电材料。UV光源可以耦合到压电打印头，并且响应于来自控制器的控制信号而被驱动，以促进固化聚合物衬底上所沉积的材料。

Description

印刷生物活性材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年2月18日递交的题为“LOW COST，HIGH SPEEDMETHOD FOR PRINTING BIO-MATERIAL ONTO POLYMERICMATERIALS”的美国临时专利申请No.61/153535的优先权，为了所有的目的，该专利申请的全部内容通过引用而结合于本说明书中。
技术领域
本发明一般地涉及印刷，更具体的，本发明涉及用于在聚合物衬底上印刷特征(例如包括用于诊断医学测试的生物材料的结构)的系统和方法。
背景技术
用于在聚合物衬底上产生特征的系统和方法应用于各种需求应用中，所述各种需求应用包括创建体外诊断(IVD)医学测试、微机电系统(MEMS)设备、用于分析脱氧核糖核酸(DNA)序列的聚合酶链式反应(PCR)测试等。这些应用通常需要能够认真而精确地在聚合物衬底上形成特征而不会损坏特征或已沉积物质的、高速并具有成本效益的系统和方法。
为了上述目的，聚合材料(也称作聚合物材料)可以是具有通常由共价键连接的重复结构单元的任何材料。聚合材料的示例包括塑料(例如，聚碳酸酯)、橡胶、硅树脂、和生物聚合物(例如，蛋白质和纤维素)。
具有成本效益的、高速的和精确的用于在聚合物衬底上产生特征的方法对于创建医学诊断测试特别重要，所述医学诊断测试通常必须创建成为高容量的，以满足医学和研究团体日益增长的需求。此外，用于创建测试的材料通常在创建测试的过程中易于损坏。
通常，在聚合物衬底上创建所需特征会涉及昂贵的光刻过程和在衬底上仔细的沉积材料。可以通过机械手拾取和放置组件来定位材料。在将材料(例如，蛋白质和反应物)定位在试样上之后，使材料固化。固化过程会涉及冗长的干燥过程。因为聚合物衬底倾向于弯曲，并且用于诊断测试的敏感化学品在暴露于来自烘箱的过量热时会受损，所以试图通过烘烤来固化和/或干燥材料已经证明是有问题的。
此外，用于在聚合物衬底上形成特征的通常方法通常只提供对设备容差的粗略控制，这会导致最终产品上的特征不一致。
发明内容
一个用于在衬底(例如，聚合物)上印刷一个或多个所需特征的实施例包括：使用包含指示剂材料的墨水，和采用压电打印头以在衬底上沉积墨水。指示剂材料可以是以可再生方式与生物材料反应而留下反应性沉积物的任何材料或物质。在优选实施例中，一个或多个反应性沉积物用于通过与一个人的固体、液体或气体的人类副产物(例如，体液(例如，唾液、血液、汗液、泪液、呼吸气体等)或其他身体物质(例如，皮肤、头发、组织样本、排泄物等))反应而诊断一个人的医学状况，以产生医学诊断结果或指示。在另一实施例中，反应性沉积物可以用于通过使电流流过生物试样而提供结果。指示剂可以适合于在存在预定化学物或物质的情况下以预定方式选择性的改变，从而提供对化学物或物质的存在性或具体浓度的指示。
在具体实施例中，上面沉积有墨水的聚合物衬底代表用于对材料试样进行测试的诊断测试设备。方法还包括采用紫外线(UV)光来固化墨水。
方法还包括采用压电打印头来促进固化聚合物衬底上所沉积的材料，所述压电打印头耦合到UV光源。UV光源和打印头连接到控制器。
可以采用压电打印头和蚀刻剂容器来选择性的蚀刻聚合物材料，从而在衬底上或中产生一个或多个蚀刻特征。蚀刻特征的示例包括微流体通道。在产生蚀刻特征之后，压电打印头用于以相对于一个或多个蚀刻特征处于预定空间关系的方式来选择性的沉积墨水。
根据需要，例如通过沉积UV可固化透镜材料液滴，可以在聚合物衬底上产生附加特征(例如，透镜)。打印口可以包括耦合到光学纤维束的按需喷墨(Drop On Demand，DOD)打印头，其中光学纤维束适合于传输UV光。
通过使用非接触式印刷方法以在聚合物衬底上产生特征可以促进本说明书中的实施例。特征可以包括蛋白质、指示剂材料、医学诊断测试材料等。在优选实施例中，特征是三维的，但是本说明书中讨论的机制和方法可以适合于二维或基本一维的结构。
附图说明
图1是用于在聚合物衬底上印刷特征的示例性系统的图。
图2是示例性组装线的图，所述示例性组装线采用图1的系统以在聚合物衬底上产生多个诊断测试设备。
图3是适合于同图1的系统一起使用的第一示例性方法的流程图。
图4是适合于同图1的系统一起使用的第二示例性方法的流程图。
图5是适合于同图1的系统一起使用的第三示例性方法的流程图。
具体实施方式
尽管参考本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是这些具体实施例仅仅是示例性的、而非限制性的。尽管本发明主要涉及用于为医学诊断而在衬底上印刷生物材料和相关特征装置、系统和方法，但是实施例不限于此。例如，本说明书中讨论的印刷设备和方法可以用于需要在聚合物衬底上沉积其他类似的极小特征的各种不同的应用。示例性应用包括在聚合物衬底上印刷一定的反光材料或镜面以用于光学应用。
为了清楚起见，从一些附图中省略了一些众所周知的组件，例如计算机、硬盘驱动器、处理器、操作系统、用户界面、电源、打印头柔性电路等。但是，本领域技术人员根据本发明的教导将得知运行哪个组件和如何运行这些组件以满足给定应用的需求。
图1是用于在聚合物衬底48上印刷特征40-46的示例性系统10的图。系统10包括专用压电打印头18，所述打印头18连接到打印头致动器14。压电打印头18还包括生物墨水容器28、蚀刻剂容器30和透镜材料容器32。每个容器28-32耦合到分别的打印喷嘴36、喷嘴致动器38和紫外线(UV)光源34。通常，可以使用任何类型的适当固化方法，例如热固化、激光固化等。墨水可以包括导电材料。
打印头致动器14和打印头18与控制器16通信，所述控制器16包括用于控制打印头致动器14的致动器控制器22、用于控制喷嘴38的喷嘴控制器24和用于控制UV光源34的UV控制器26。打印头控制器16还与印刷软件12通信，所述印刷软件12可以包括驱动程序、用于设计将通过系统10产生的特征的应用程序等。
在运行中，系统10适合于在聚合物衬底48上打印特征40-46。根据应用，特征40-46可以显示出微米尺度尺寸。微米尺度尺寸可以是小于约500微米的任何尺寸。打印头18适合于与聚合物衬底48保持大于二分之一英寸，以促进通过UV光源34来固化、并且防止对特征40-46的任何损坏，相反打印头18与特征40-46的接触会引起对特征40-46的损坏。在本实施例中，打印头18定位成与聚合物衬底的表面距离约一英寸，但是更大或更小的距离也是可行的。
应当注意，尽管在本示例性实施例中为了进行说明而只示出了一个打印头18，但是实际上，系统10可以包括多个打印头。在给定实施方式中所采用的打印头的精确数量是面向应用的，并且可以由本领域技术人员很容易的确定以满足给定应用的需求。此外，打印头18可以包括比所示的三个容器28-32更多或更少的容器和伴随的打印喷嘴36。
为了进行说明，在聚合物衬底48中或上所产生的特征40-46包括微通道40。微通道40可以是微流体通道，所述微流体通道可以用于(例如通过毛细管作用)将液体传输至聚合物衬底48的表面上，以满足给定应用的需求。为了本发明的目的，微流体通道可以是以一个或多个维度小于20微米为特征的任何通道、槽或管，其中通道适合于使一定的流体在该通道内部传输或传输通过该通道。
示例性特征40-46还包括印刷透镜42，所述印刷透镜42设置在选择性沉积的生物指示剂材料44上。为了进行说明，一些生物指示剂材料显示为沉积在透镜42下方，所述透镜42形成在生物指示剂材料上。为了本发明的目的，生物材料可以是从活着或死亡的生命形式获得的任何材料。生物材料通常是有机材料，例如蛋白质、DNA片段等。指示剂材料可以是适合于在存在预定化学物或物质的情况下、以预定方式选择性的变化的任何材料或物质，从而提供存在化学物或物质的指示、或化学物或物质的具体浓度。应当注意，指示剂材料不限于检测物质的存在性，而且一些指示剂材料还可以促进对在施加到指示剂材料的试样内的一些化学物或物质的浓度的检测。生物指示剂材料可以是即作为生物材料又作为指示剂材料的任何材料。
因此，系统10表示能够在聚合物或聚合衬底48上印刷各种特征40-46的压电印刷设备，如下将更充分描述的，所述特征包括微透镜(例如，透镜42)、生物材料(例如，蛋白质、聚合酶链式反应(PCR)反应物)、(例如用于测量胆固醇的)医学诊断指示剂材料44等。如下将更充分描述的，系统10还可以选择性的在聚合物衬底48中和上沉积生物材料44、和/或以相对于聚合物衬底48中蚀刻的三维特征处于所需空间关系的方式沉积生物材料44。
为了本发明的目的，印刷设备可以是能够响应于来自控制器的控制信号而输出材料的所需图案的任何设备。压电打印头可以是适合与响应于施加预定电压或电流而产生力的材料一起起作用的任何打印头。所述材料称作压电材料。压电打印头可以采用包含压电材料的墨水。在采用压电墨水的情况下，把电压或电流施加到填充有墨水的打印头喷嘴会导致墨水从喷嘴喷出。或者，打印头可以采用压电晶体，所述压电晶体由电压或电流激励以产生声学震荡波，所述声学震荡波用于使材料从打印头的喷嘴被印刷。采用压电打印头的打印机称作压电打印机或压电印刷设备。
在示例性操作方案中，系统10的用户采用印刷软件12来设计特征的所需布局，所述特征将通过印刷软件12而被打印在聚合物衬底48上。在这种情况下，设计的特征包括特征40-46。特征40-46共同被称作待印刷的场景。
在设计所需印刷场景之后，用户采用印刷软件12来激活控制器16。然后，控制器16通过将控制信号发送至致动器14来控制打印头18的移动，并且控制器16还通过将适当的控制信号发送至喷嘴致动器38、来控制时间安排和从每个容器28-32散布材料。
在当前的具体示例性实施例中，容器28-32包括UV可固化材料，即，响应于施加UV能量而适当的硬化或改变其他特性的材料。因为通过施加所需波长和强度的光子可以改变UV材料的一个或多个材料特性，所以UV材料被认为是光敏材料。为了本发明的目的，UV光源可以包括能够输出以中心波长的长度在150nm到450nm之间为特征的电磁能的任何设备。类似的，UV光可以是以中心波长的长度在150nm到450nm之间为特征的任何电磁能。
通常，容器28-32中的材料是非牛顿流体，但是可以使用其他类型的流体。为了本发明的目的，非牛顿流体可以是不具有单一均匀的恒定粘度的任何流体。
生物墨水容器28包括指示剂材料，当所述指示剂材料被印刷在聚合物衬底48上并且固化时，所述指示剂材料可以用于检测或感知物质或物质的浓度。例如，指示剂材料可以包括用于测量低密度脂蛋白(LDL)或聚合酶链式反应(PCR)反应物的化学物(例如，Dil-LDL(Dil标记低密度脂蛋白)标记材料)。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。还可以将乙醇胺加到溶液。应当注意，其他化学配方和百分比也是可行的。可以包括适当的颜色改变报道分子。例如，可应用的颜色改变报道分子的特征可以是中心吸收波长处于或接近780nm、650nm或405nm。合理使用颜色改变报道分子可以促进在对所需波长进行反应之前和反应之后调节指示剂光密度。
应当注意，生物墨水容器28还可以包括导电材料，以促进打印头喷嘴36的压电致动。此外，应当注意，导电材料还可以用于各种医学和研究应用。例如，导电聚合物材料可以用于在聚合物衬底上沉积电路，其中，电路可以用于测量应用于该电路的试样的电阻率，从而提供对材料试样的组成中的材料成分。
墨水容器28中的指示剂材料可以是包含蛋白质的墨水，其中，墨水包括酶结合缓冲液、甘油(代替苯氧基2-丙醇)。用于读取最终印刷的生物材料的光的波长可以与材料的最大反射率或光吸收特性相一致。例如，在本实施例中，在与待分析物质进行反应之前和之后，调节指示剂光密度值以匹配所需波长。本领域技术人员根据本发明的教导可以执行这种调节而不需要过多实验，例如通过改变墨水容器28中特定成分的比率。
生物墨水容器中的生物墨水和伴随的指示剂材料适合于通过交联反应与聚合物衬底48结合，这会产生交联结合，当通过UV光源34来固化时所述交联结合的键保持不变。为了本发明的目的，交联结合可以是由聚合物材料中的一个或多个碳链之间的反应所促进的任何化学或机械结合。用于促进与已沉积材料的交联结合的示例性的适当聚合物衬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，银)和乙醇以促进响应于施加UV光而快速蒸发。
在本实施例中，通过光源34的UV固化包括施加以中心波长在200nm和300nm之间为特征的UV激光脉冲光。激光脉冲光的能量密度是约200焦耳每平方厘米到1000微焦耳每平方厘米。在具体实施方式中，能量密度为约400焦耳每平方厘米。在本示例性实施例中，激光脉冲持续时间是约5毫秒。应当注意，对于给定聚合物衬底和待固化材料的UV激光波长、脉冲长度、能量密度等的恰当组合可以是面向应用的，并且可以取决于所使用的材料、和打印头18和聚合物衬底48之间的距离。在本实施例中，打印头18的喷嘴36距离聚合物衬底的表面20约1微米。
本说明书中公开的实施例可用的、可以用于与一些生物指示剂材料混合的示例性墨水包括从位于New Mexico的Albuquerque的CabotCorporation得到的导电墨水(产品目录号CCI-300)。
当光源代表光学纤维丝或纤维束时，可以用作UV光源以供应光源34的示例性激光器是单脉冲UV Ophire激光器
蚀刻剂容器30包括能够蚀刻聚合物衬底的材料。例如，蚀刻剂可以包括由百分之七十的甲乙酮(MEK)和百分之三十的奥克利林(2-ethylhexyl-2-cyano-3，3-diphenyl acrylate)组成的溶液。
透镜材料容器32包括透镜材料，所述透镜材料在固化前保持在液体状态、并且在固化后保持透明。可以通过在聚合物衬底48上沉积透镜材料的斑点而形成透镜42。通过对沉积到与透镜42相对应的斑点的透镜材料的量和透镜材料的粘度进行调整，可以控制所述斑点的尺寸和形状。通过选择性地改变材料配方可以调整透镜材料的粘性。例如，透镜材料配方包括PMMA和/或聚二甲基硅氧烷(PDMS)、水、聚乙烯醇、Irgacure(184，比率为2-4％)的混合物。应当注意，聚合物衬底48还可以由PMMA和/或PDMS制成。
在一个操作方案中，驱动打印头18和喷嘴36，以首先采用来自蚀刻剂容器30的蚀刻剂来蚀刻聚合物衬底，形成三维衬底特征(例如，微流体通道40和用于容纳指示剂材料46的槽)。然后，驱动UV光源34以照射已沉积蚀刻剂的区域，从而加速蚀刻剂从聚合物衬底48的蒸发和去除。然后，在将透镜材料42沉积在衬底48上的所需位置上之前，来自生物墨水容器28的指示剂材料被沉积在衬底48上、并通过UV光源34进行固化。应当注意，如果具体应用需要的话，可以以任何适用的顺序、或同时地执行指示剂材料44和透镜材料42的沉积、和创建蚀刻的衬底特征40-46。此外，可以通过打印头18的单遍打印来形成所有的特征40-46。但是应当注意，可以采用多遍印刷，这并不脱离本发明的范围。
应当注意，尽管在本示例性实施例中，三个不同的流体容器28-32耦合到能够分开致动的不同的喷嘴36，但是可以采用更多或更少的容器，并且容器可以包含本说明书没有讨论的材料。此外，流体容器28-32不需要作为打印头组件18的一部分。例如，流体容器28-32可以离开打印头18而远程定位，同时流体容器仍然通过导管或管路来传送流体容器内容纳的材料。
每个容器28-32中的材料的具体细节是面向应用的。本领域技术人员根据本发明的教导可以适当的选择材料以满足具体应用的需求而不需要过多的实验。
在从一个或多个容器28-32散布所需材料之后，通过由UV控制器36来选择性的驱动UV光源34可以使材料固化。应当注意，在本具体示例性实施例中，UV光源可以单独的发光二极管(LED)、或者是用于使来自不同来源的UV光改变方向的光学纤维束(也称作光纤波导)。
打印头致动器38可以包括压电晶体，所述压电晶体响应于来自控制器16的适当控制信号而产生震荡波，所述震荡波足以散布来自一个或多个附属容器28-32的液体。应当注意，可以采用其他类型的压电流体散布机构，这并不脱离本发明的范围。例如，容器28-32中容纳的墨水和其他材料可以包括压电材料，所述压电材料对施加到该压电材料的电流或电压敏感。将适当的电压或电流施加喷嘴36的两端或喷嘴36上，足以散布自容器28-32的适当流体。此外，应当注意，在某些实施方式中可以材料除了压电印刷机构之外的其他类型的印刷机构，这并不脱离本发明的范围。
打印头18可以被看作按需打印型设备，所述按需打印型设备可以用于按照要求将材料斑点布置在所需位置上。应当注意，印刷软件12可以适合于指示控制器16，以使得在打印头在聚合物衬底48上方进行特定印刷时，打印头18将多个材料斑点布置在聚合物衬底48上的具体位置上。这对于创建某些三维结构非常有用，通过选择性的创建沉积材料的厚的和薄的区域来形成所述三维结构。此外，材料的具体沉积(如印刷的生物材料特征44所示的)可以包括来自不同容器的多层不同类型的生物材料，以创建指示剂或测试材料，所述指示剂或测试材料对待分析的具体试样中的化学物的宽浓度范围敏感。应当注意，尽管打印头18显示为只包括三个容器，但是可以采用附加容器，所述附加容器包括不同类型的生物指示剂材料。
在本示例性实施例中，结构48、和在结构48上或中形成的附属特征40-46可以共同被称作诊断测试设备。为了本发明的目的，诊断测试设备可以是适合于对试样的具体化学物或物质或其浓度进行测试的任何装置、系统、或沉积的材料或结构或其集合。
如上所述的系统10(即，印刷设备)可以印刷两微米或更小尺寸的斑点，同时定位和尺寸容差为约1微米或更小。使用应用于一类新型压电打印机的稳定的印刷配方不仅可以印刷两微米的斑点，而且能够产生微通道、(例如用于信噪比放大的)透镜等。
读取和检查特征40-46的读取器可以用于分析和获取一定的测试结果。光学拾取单元可以用于在780nm、650nm或405nm下读取。因此，在处于或接近上述波长时，指示剂材料中使用的报道分子可以与光密度一致的进行调节。
在涉及在聚碳酸酯衬底上印刷的应用中，用于容器28-32中的材料的适合的溶剂可以包括但不限于甲乙酮(MEK)、1-环戊烷等。通过附加的或不同的容器和打印头、或容器可以将覆盖材料印刷在特征40-46上。覆盖材料的示例包括但不限于PMMA、MA(甲基丙烯酸甲酯)、环戊烷等。
图2是示例性组装线60的图，所述组装线60采用图1的系统10来在聚合物衬底上生成多个诊断测试设备。应当注意，一些处理阶段62-72(例如，蚀刻剂蒸发处理阶段64)可以省略、以处理顺序重新排序、或与不同的处理阶段互换，这些都不脱离本发明的范围。此外，通过一个或多个打印头的单遍打印，可以并行的或大致同时的执行各种阶段62-72中的一个或多个。此外，组装线60可以用于生成其他的微结构聚合物设备(Microstructured Polymeric Device；MPD)，而不仅仅是诊断测试设备。例如，可以生成机器可读MPD设备；专用的聚合物覆盖材料可以沉积在MPD设备上，以覆盖设备并提高设备的稳定性和寿命等。
在本示例性实施例中，多个衬底(可以是聚合物晶片)供应至第一蚀刻处理阶段62的处理60。在蚀刻处理阶段62中，通过由印刷设备(例如，通过图1所示的系统10)来施加蚀刻剂，将三维特征(例如，流体通道、凹坑或其他所需特征)蚀刻在聚合物晶片中。然后，将晶片供应至蚀刻剂蒸发处理阶段64。
在蚀刻剂蒸发处理阶段64中，在将晶片供应至透镜沉积处理阶段66之前，UV光用于从晶片表面蒸发和去除蚀刻剂。透镜沉积处理阶段66包括将透镜材料沉积在每个晶片上的预定所需位置中或上。
然后，通过紫外线固化处理阶段68来使已沉积的透镜材料固化。在该阶段，通过将UV光施加到晶片上的已沉积透镜材料的位置，采用UV光来固化已沉积的透镜材料。然后，将晶片供应至生物材料沉积处理阶段70。
在生物材料沉积处理阶段70中，将生物材料(例如，用于医学诊断测试的材料)沉积在晶片上的预定所需位置处，直到在最终固化处理阶段72中通过应用UV光来使已沉积的生物材料固化。
应当注意，从最终固化处理阶段72连续输出晶片的最小时间间隔与处理阶段62-72当中最长的一个相对应。
使用根据本发明的处理(例如，图2中所示的处理)可以不需要通过拾取和放置组件来在聚合物衬底上组装小结构，因为可以在线(in-line或at-line)形成特征和部件。
此外，应当注意，可以采用本说明书中讨论的材料和材料的组合，这不脱离本发明的范围。例如，可以使用具有不同折射率的材料的组合来生成透镜，从而可以对焦点进行定制。
图3是第一示例性方法80的流程图，所述第一示例性方法80适合与图1的系统10一起使用以生成诊断测试设备。方法80包括第一步骤82，所述第一步骤82包括接收包含有指示剂材料的墨水。
第二步骤82包括采用一个或多个压电打印头来将墨水沉积在聚合物衬底上，其中，墨水已经沉积在上面的聚合物衬底代表诊断测试设备。
第三步骤84包括采用UV光来固化墨水，其中，可以通过一个或多个光源来施加UV光，所述一个或多个光源耦合到一个或多个压电打印头当中的每个压电打印头。
图4是第二示例性方法90的流程图，所述第二示例性方法90用于在聚合物衬底上生成一个或多个所需特征，所述方法适合与图1的系统10一起使用。第二示例性方法90包括通道形成步骤92，所述通常形成步骤92包括采用压电打印机来在聚合物衬底中或上形成微流体通道。
之后的透镜沉积步骤94包括使用压电打印机在聚合物衬底上印刷透镜材料。
然后，指示剂印刷部分96包括在聚合物衬底上印刷指示剂材料。
最后，固化步骤98包括使紫外线(UV)光源发光照射透镜材料，以促进将透镜材料和指示剂材料结合到聚合物衬底、并且促进对透镜材料的硬化和固化，所述紫外线光源耦合到压电打印机的一个或多个打印头。
图5是第三示例性方法100的流程图，所述第三示例性方法100适合与图1的系统10一起使用。第三示例性方法100薄初始蚀刻步骤102，所胡初始蚀刻步骤102包括：采用与蚀刻剂连通的压电打印头来选择性的在聚合物衬底中蚀刻一个或多个三维特征。
之后的指示剂沉积步骤104包括：以相对于已经蚀刻在衬底中或上的一个或多个三维特征成预定关系的形式，使用与墨水连通的压电打印头来选择性的在聚合物衬底上印刷墨水，其中，墨水包含化学指示剂。
然后，UV固化步骤106包括选择性的使UV光源指向打印头以固化墨水，所述UV光源耦合到压电打印头。
最终步骤包括通过单遍印刷来执行上述步骤102-106。为了本发明的目的，单遍印刷可以表示并行的或连续的在衬底上沉积材料的任意集合，其中，在没有从打印机下方的区域移除衬底的情况下(例如，用于烘烤或其他步骤)和在相继的印刷操作之间不需要实质性延迟的情况下来执行沉积。实质性延迟可以是超过1秒的任何延迟。
应当注意，图3-5中所示的方法并不是详尽无遗的在本发明范围内可存在的方法。例如，另一替换方法包括：采用压电打印机在聚合物衬底上印刷非牛顿流体，以全部通过非接触式的单遍印刷或处理步骤来构造半球形透镜、微流体通道、医学指示剂。
另一示例性方法包括：将医学指示剂材料溶解在具有已调节粘性的印刷制剂中，以用于印刷。混合的制剂可以适合于交联到聚合物衬底，从而提高最终产品的保存期限和稳定性。混合的制剂可以包括作为溶剂的聚乙烯醇，聚乙烯醇可以促进固化。印刷斑点尺寸可以为约两微米，但是其他斑点尺寸也是可行的。在本示例性替换方法中，待印刷的非牛顿流体具有九微米的最大颗粒大小。
各种墨水可以适合与根据本发明的教导构造的实施例一起使用。例如，可以采用响应于施加UV光而聚合成硬化表面的各种光敏化合物(即，经历光致聚合作用的化合物)。上述化合物可以包括感光引发剂(例如，光敏催化剂)，所述感光引发剂分解成与墨水中的低聚物反应的反应物以引发聚合作用，产生包含所需填充剂和色素的聚合物膜。
在某些应用中，可以通过0.2微米过滤器来对所使用的染料和色素进行过滤以提高性能。示例性染料包括25ml的甲基丙烯酸甲酯(MMA)(可通过Aesar得到(alpha Aesar MMA，Cat#13010))与0.25ml的稀释于环戊烷中的染料结合，以促进产生小于60微米的非常小的斑点尺寸。
已沉积的墨水和材料可以促进所谓的双模式分离。例如，在某些实施方式中，例如，在蛋白质的一些纳米团簇上印刷丙烯酸-共-苯乙烯磺酸-共乙烯基磺酸(acrylic acid-co-styrene sulfonic acid-co-vinylsulfonic acid)，可以使得与蛋白质产生静电相互作用和疏水相互作用，以增强对目标产品的特异性。这种双模式分离在各种应用(例如从复杂混合物中回收蛋白质)中是有用的。
墨水和附属指示剂可以被印刷在聚合物衬底上的具体区域上，产生具有重叠特异性的指示剂，以减少产生通过最终的诊断测试设备所获得的错误阳性指示和错误阴性指示。
因此，尽管描述了用于生成医学诊断测试设备和微尺度特征(例如，通道和透镜)的一些实施例，但是其他应用也是可行的。尽管主要讨论了压电印刷，但是可以采用其他形式的非接触印刷(例如，按需喷墨、羽毛笔、连续喷墨等)。
任何合适的编程语言可以用于实现具体实施例的程序(例如，印刷软件、控制器等中所包含的程序)。示例性的编程语言包括C、C++、Java、汇编语言等。例如，不同的编程技术可以用作面向程序的或面向对象的。程序可以在单一处理设备或多个处理器上执行。尽管可以以特定顺序表现出步骤、操作、或计算，但是在不同的具体实施例中这个顺序可以改变。在某些具体实施例中，在本说明书中显示为相继的多个步骤可以同时执行。
具体实施例可以在通过或结合指令执行系统、装置、系统或设备来使用的计算机可读存储介质中实现。可以以软件、或硬件、或软件与硬件的组合中的控制逻辑的形式来实现具体实施例。当控制逻辑由一个或多个处理器所执行时，所述控制逻辑可操作以执行具体实施例中描述的内容。
通过使用编程通用数字计算机、通过使用专用集成电路、可编程逻辑器件、现场可编程门阵列、光学的、化学的、生物的、量子的或纳米工程的系统、组件和机构，可以实现具体实施例。通常，通过任何本领域中已知的方法可以实现具体实施例的功能。可以使用分布式网络系统、组件和/或电路。可以通过有线、无线、或通过任何其他方法可以通信或传输数据。
应当理解，附图中所示的一个或多个元件也可以以更加分离或集成的方式来实现、甚至可以去除、或着使其在某些情况下成为不可操作的而在具体应用中是有用的。实现可以存储在机器可读介质中以使得计算机能够执行上述任意方法的程序和代码，同样在本发明的精神和范围内。
如在本说明书中和权利要求书中所使用的，除非文章中另有明确说明，否则“一个”和“该”包括复数关系。同样，如在本说明书中和权利要求书中所使用的，除非文章中另有明确说明，否则“在……中”的含义包括“在……之内”和“在……之上”。
因此，尽管在本说明书中描述了具体实施例，但是前面的描述中留有进行修改、各种改变和替换的余地，并且应当理解，在某些情形中，可以采用具体实施例的某些特征而不相应的使用其他特征，这也不脱离本发明的精神和范围。因此，可以进行很多修改以使得具体情况或材料适应于基本范围和精神。

Claims (33)

1.一种用于在衬底上印刷生物活性结构的方法，所述方法包括如下步骤：
接收墨水，所述墨水包括指示剂材料，其中，所述指示剂材料对于人类副产物是反应性的；并且
采用非接触式打印头来将所述墨水沉积在所述衬底上，以形成三维结构，其中，所述三维结构包括所述生物活性结构以用于医学诊断。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底包括聚合物。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括采用紫外线(UV)光来固化所述墨水。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述墨水包括导电材料。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述采用步骤还包括采用压电打印头，所述压电打印头具有耦合到所述压电打印头的UV光源，其中，所述UV光源与控制器通信。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括采用压电打印头和蚀刻剂容器，以选择性地蚀刻聚合物材料，从而形成其上或其中具有一个或多个蚀刻特征的衬底。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述一个或多个特征包括一个或多个微流体通道。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括以相对于所述一个或多个蚀刻特征处于预定空间关系的方式，采用所述压电打印头来选择性地沉积所述墨水。
9.根据权利要求2所述的方法，其中，所述墨水包括非牛顿流体。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括采用所述压电打印头和内有液态透镜材料的容器，以在所述衬底上印刷微透镜。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括通过适合于输出UV光的设备来使印刷的液态透镜材料固化，所述设备耦合到所述打印头和控制器。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述打印头包括耦合到光学纤维束的按需喷墨(DOD)打印头，其中，所述光学纤维束适合于传输UV光。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述墨水以一种或多种光敏化合物为特征。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述墨水适合于与聚合物衬底形成交联结合，所述交联结合在通过UV光使所述墨水固化之后而耐久。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，压电打印头适合于在打印过程中不与聚合物衬底接触。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述压电打印头适合于与所述聚合物衬底保持大于二分之一英寸。
18.根据权利要求2所述的方法，其中，所述打印头包括压电晶体，所述压电晶体适合于输出声波，以促进从一个或多个打印头喷嘴输出所述墨水和所述指示剂材料。
19.一种压电印刷装置，其包括：
压电打印头；
紫外线(UV)光源，其耦合到所述压电打印头；
控制器，其与所述压电打印头和所述UV光源通信；和
墨水容器，其耦合到所述压电打印头，所述墨水容器包括墨水，所述墨水包含生物活性指示剂材料，所述墨水适合于响应于从所述UV光源施加UV光而固化。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述墨水包括一种或多种适合于结合到聚合物衬底的成分。
21.根据权利要求19所述的装置，其中，所述墨水包括导电墨水，所述导电墨水包含生物材料。
22.根据权利要求19所述的装置，其中，所述墨水包括聚合酶链式反应(PCR)反应物。
23.根据权利要求19所述的装置，其中，所述墨水包括指示剂材料，所述指示剂材料与低密度脂蛋白质反应。
24.一种压电印刷系统，其包括：
聚合物衬底；
第一容器，其容纳足以蚀刻所述聚合物衬底的蚀刻剂；
第二容器，其容纳墨水，所述墨水包括生物活性指示剂材料，其中，所述指示剂材料适合于促进对设置在所述指示剂材料上或附近的生物试样的特性进行检测；
压电打印头，其与所述第一容器和所述第二容器流体连通；和
控制器，其适合于控制所述打印头，以使得能够通过将所述蚀刻剂施加到所述聚合物衬底来蚀刻所述聚合物衬底，以在所述聚合物衬底上或中产生三维结构，相应的产生蚀刻衬底。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述控制器还适合于选择性的在所述衬底上沉积所述指示剂材料。
26.一种用于在聚合物衬底上印刷一个或多个特征的方法，所述方法包括：
采用压电打印机以在所述聚合物衬底中或上形成微流体通道；
使用所述压电打印机以在所述聚合物衬底上印刷透镜材料；和
使用紫外线(UV)光源来选择性的使所述透镜材料硬化并且使所述透镜材料结合到所述聚合物衬底，所述紫外线光源耦合到所述压电打印机的一个或多个打印头。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述采用步骤还包括在单遍印刷中通过压电打印头的一个或多个喷嘴选择性地输出蚀刻剂，并且采用所述UV光源以从所述聚合物衬底蒸发所述蚀刻剂。
28.一种用于在聚合物衬底上印刷的方法，所述方法包括：
采用与蚀刻剂连通的压电打印头，以选择性地在所述聚合物衬底中蚀刻一个或多个三维特征；
使用与墨水连通的压电打印头，以相对于所述一个或多个三维特征处于预定关系的方式，来选择性地在所述聚合物衬底上印刷所述墨水，其中，所述墨水包含化学指示剂；
采用紫外线光源来固化已经沉积在所述聚合物衬底上的所述墨水；和
在单遍印刷中执行上述步骤。
29.一种用于在聚合物衬底上产生一个或多个所需特征的方法，所述方法包括如下步骤：
通过选择性地施加蚀刻剂来选择性地蚀刻所述聚合物衬底，相应地产生蚀刻微流体通道，其中，通过印刷设备来执行所述蚀刻剂的施加；
选择性地在所述聚合物衬底上沉积透镜材料；和
通过施加紫外线光来固化所述透镜材料。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括在单遍印刷中执行权利要求29中的两个或多个步骤。
31.根据权利要求29所述的方法，还包括通过所述印刷设备将墨水沉积在所述聚合物衬底上。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述印刷设备包括压电打印头。
33.根据权利要求31所述的方法，其中，所述印刷设备包括压电打印机。
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