通過雙光子聚合制造的3D打印旋轉(zhuǎn)微過濾器

來源：江蘇激光聯(lián)盟

來自中科大、合肥工業(yè)大學(xué)和日本RIKEN高級(jí)光子學(xué)中心的研究人員制造了一種磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)微過濾器，可用于過濾微流體設(shè)備內(nèi)的顆粒。他們通過創(chuàng)造一種磁性材料制成了微小的轉(zhuǎn)動(dòng)過濾器，這種材料可以與一種稱為雙光子聚合的非常精確的3D打印技術(shù)一起使用。

作為利用便攜性、安全性和效率優(yōu)勢(shì)的微型實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，片上實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。近年來，得益于飛秒激光微納制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，用于三維（3D）高精度加工、微光學(xué)、微流體等多種功能微元件和微機(jī)械可以通過簡單的程序集成到微芯片中，實(shí)現(xiàn)分子檢測、細(xì)胞操作、催化反應(yīng)等應(yīng)用。

常見的功能性微芯片之一是微分選裝置，對(duì)分離顆粒和富集特殊細(xì)胞具有重要意義，并已成功應(yīng)用于單細(xì)胞分析、藥物篩選、血細(xì)胞分離等。目前的微流控分選方法可分為主動(dòng)分選和被動(dòng)分選。前者需要使用外部設(shè)備或外力，操作復(fù)雜，需要昂貴的設(shè)備。同時(shí)，后者在集成無源微器件的微流控芯片中實(shí)現(xiàn)了無外力的細(xì)胞或顆粒分選。微米級(jí)微孔過濾器是一種傳統(tǒng)的被動(dòng)分選裝置，可以根據(jù)孔徑大小對(duì)顆粒或細(xì)胞進(jìn)行分選。由于過濾器中的孔的數(shù)量和形狀不能在分選過程中動(dòng)態(tài)改變，因此無法靈活地按需分選不同的顆粒或細(xì)胞，從而限制了微芯片的使用。因此，開發(fā)一種可以自由切換過濾、通過、選擇性過濾等過濾模式的多功能過濾器，可以使應(yīng)用多樣化。

在該研究中，來自中科大、合肥工業(yè)大學(xué)和日本RIKEN高級(jí)光子學(xué)中心的研究人員使用飛秒激光雙光子聚合在微流控芯片中制造了磁性旋轉(zhuǎn)微過濾器。研究人員首先合成了磁性納米顆粒，將其混合在光刻膠中以制備磁性光刻膠。為了聚合制備的磁性光刻膠，優(yōu)化了激光功率密度、脈沖數(shù)和掃描間隔等不同工藝參數(shù)。然后在載玻片上制作旋轉(zhuǎn)微過濾器，并測試其磁驅(qū)動(dòng)性能。最后，將旋轉(zhuǎn)微過濾器集成到微流控芯片中。在恒定磁場下證明了微流控芯片內(nèi)部過濾器對(duì)“過濾”和“通過”模式的磁響應(yīng)。過濾性能是用在酒精溶液中含有直徑為 2.5 和 8.0 μm 的聚苯乙烯 (PS) 球體的懸浮液來測試的，顯示完全過濾了 8.0 μm 的顆粒。設(shè)想這種磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)微過濾器可以在血細(xì)胞分選、微粒純化和循環(huán)腫瘤細(xì)胞分離方面提供廣泛的應(yīng)用。

▲圖1. 磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)微過濾器的制造過程和磁性顆粒的表征。(a) 具有可切換模式功能的磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)微過濾器的制造過程示意圖。(b) [Math Processing Error] 納米粒子的 XRD 圖。(c) 小熊貓的 SEM 圖像。EDX 映射圖像說明來自印刷的小熊貓的 (d) 覆蓋層、(e) 碳和 (f) 鐵。比例尺：5 μm。

他們使用雙光子聚合創(chuàng)建了新的過濾器，它使用聚焦的飛秒激光束來固化或聚合一種稱為光刻膠的液體光敏材料。由于雙光子吸收，聚合可以以非常精確的方式完成，從而能夠制造微米級(jí)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

圖2. 雙光子示意圖

為了制造微過濾器，研究人員合成了磁性納米粒子并將它們與光刻膠混合。制造旋轉(zhuǎn)式微過濾器要求它們優(yōu)化用于聚合的激光功率密度、脈沖數(shù)和掃描間隔。在載玻片上測試其磁驅(qū)動(dòng)特性后，他們將微過濾器集成到微流體裝置中。

多種過濾模式
為了過濾較大的顆粒，應(yīng)用垂直于微通道的磁場。過濾過程完成后，可以通過施加平行于微通道的磁場釋放大顆粒，這將使微過濾器旋轉(zhuǎn) 90°。然后可以根據(jù)需要重復(fù)過濾過程。

研究人員使用混合在酒精溶液中的直徑為 8.0 和 2.5 微米的聚苯乙烯顆粒驗(yàn)證了過濾器的過濾性能�！昂苊黠@，小于孔徑的顆粒很容易通過微過濾器，而較大的顆粒則被過濾掉，”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的張晨初說�！霸谕ㄟ^模式下，過濾器捕獲的任何較大顆粒都會(huì)被流體沖走，從而防止過濾器堵塞并允許重復(fù)使用微過濾器�！�

▲圖3. 磁力旋轉(zhuǎn)微濾器的參數(shù)優(yōu)化與設(shè)計(jì)。(a) 不同激光功率密度下最小脈沖數(shù)的聚合窗口。(b) 磁旋轉(zhuǎn)微過濾器的示意圖�！緮�(shù)學(xué)加工誤差】為外徑，【數(shù)學(xué)加工誤差】為軸套內(nèi)徑。蓋玻片上的磁性旋轉(zhuǎn)微過濾器 (c) 和通道中的 (d) 的 SEM 圖像。所有比例尺：10 μm。

▲圖4. 制造的微過濾器的磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。(a) 在平面上操縱磁旋轉(zhuǎn)微過濾器的示意圖。(b) 通過施加不同方向的均勻磁場，在平坦表面上的液體環(huán)境中操作磁旋轉(zhuǎn)微過濾器的演示。(c) 磁性操縱通道中旋轉(zhuǎn)微過濾器的示意圖。(d) 和 (e) 在充滿乙醇的微通道中展示磁性旋轉(zhuǎn)微過濾器的旋轉(zhuǎn)以切換模式。

該研究得到了中國國家自然科學(xué)基金、中國國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金和中央大學(xué)基礎(chǔ)研究基金的支持，相關(guān)成果發(fā)表在光學(xué)學(xué)會(huì)雜志Optics Letters上。


Chaowei Wang et al, Magnetically driven rotary microfilter fabricated by two-photon polymerization for multimode filtering of particles, Optics Letters (2021). DOI: 10.1364/OL.428751