墨水直寫3D打印技術(shù)可實現(xiàn)高效、低成本制造微流控器件

來源：MEMS

微流控器件由于其具有體積小、響應(yīng)速度快和檢測靈敏度高等特點，被廣泛用于生物醫(yī)藥、化學(xué)合成、農(nóng)業(yè)治理和環(huán)境檢測等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代增材制造技術(shù)的飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)為微流控器件制造提供了一種更具吸引力的解決方案。與傳統(tǒng)微加工技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具備設(shè)計加工速度快、材料適應(yīng)性廣和成本低等優(yōu)勢。

目前，利用3D打印技術(shù)制造微流控器件的主要方法包括立體光刻（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）、熔融沉積成型（FDM）和墨水直寫（DIW）等。FDM和DIW技術(shù)主要基于材料擠出方法，制造工藝相對簡單，在材料適應(yīng)性和成本等方面更具優(yōu)勢，是3D打印微流控器件較為理想的選擇。不過，大部分利用FDM方法制造的微流控器件是不透明的或半透明的，面臨著后處理過程復(fù)雜且耗時等難題，一定程度上限制了其實際應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)和遼寧省農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心的研究團隊共同提出了一種基于DIW方法的3D打印技術(shù)，為微流控器件的制造提供了一種高效且低成本的解決方案。該研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

該項研究中，用于3D打印微流控器件的材料是來自美國道康寧（Dow Corning）的Dowsil 732，它在各個行業(yè)中被用作密封劑或封裝劑。研究團隊評估了Dowsil 732的固化時間和表面疏水性，證明了其適用于微流控器件的生產(chǎn)制造。

（A）Dowsil 732在不同溫度下的固化時間；（B）Dowsil 732在不同濕度下的固化時間；（C）Dowsil 732表面液體的接觸角測量。

為了確保獲得高精度的微通道結(jié)構(gòu)，研究團隊在55-70psi的壓力范圍內(nèi)分別測量了340μm和420μm噴嘴的擠出速度，并分析了印刷壓力和印刷速度對通道壁精度的影響，進而根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立了以印刷壓力和速度為輸入，以微通道壁精度為輸出的打印參數(shù)優(yōu)化模型。觀察結(jié)果表明，模型的預(yù)測值與實驗數(shù)據(jù)非常匹配，精度超過95%，能夠有效反映印刷速度、印刷壓力和通道壁精度的變化趨勢。因此，該模型可用于預(yù)測微通道壁的3D打印結(jié)果。

（A）通道實際打印寬度與340μm噴嘴設(shè)計尺寸的對比圖；（B）通道實際打印寬度與420μm噴嘴設(shè)計尺寸的對比圖；（C）由340μm噴嘴打印的直通道示意圖；（D）由340μm噴嘴打印的彎曲通道示意圖。

為了進一步證明Dowsil 732材料3D打印的多功能性，研究團隊演示了三個打印實例——微混合器、濃度梯度發(fā)生器和液滴發(fā)生器，驗證了該制造方法的可行性。

微流控器件的印刷工藝示意圖

利用340μm噴嘴打印的微流控器件：（A）微混合器；（B）濃度梯度發(fā)生器；（C）液滴發(fā)生器。

研究結(jié)果表明，基于材料擠出工藝的3D打印技術(shù)，有效降低了微流控器件制造的資金和技術(shù)門檻，為設(shè)計制造兼具透明度和時間效益的微流控器件提供了一種極具吸引力的解決方案。

論文信息：https://doi.org/10.1038/s41598-022-05350-4