重磅《Nature》子刊：新型3D打印工藝助力微流控芯片制造

來源：材料人

微流控芯片技術(shù)(Microfluidics)是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊透明且可重用的芯片上，自動完成分析與操作。微流控芯片(Microfluidic Chips)作為微流控技術(shù)實現(xiàn)的主要平臺，以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，至少在一個維度上為微米級別（1~100微米）。微流控芯片具有液體流動可控、消耗試樣和試劑極少、自動化程度極高等特點,可以在幾分鐘甚至更短的時間內(nèi)進(jìn)行上百個樣品的同時分析,并且可以在線實現(xiàn)樣品的預(yù)處理及分析全過程，目前廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域。

微流控芯片的制造依托于微機電加工技術(shù)，當(dāng)前的主流加工技術(shù)為PDMS軟刻蝕（Soft Lithography）。該制造工藝需要在無塵室中利用光刻工藝制作倒模，過程需要一系列人工操作，高昂的成本限制了微流體芯片的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，功能擴展與推廣應(yīng)用。

立體光固化（Vat Photopolymerization）作為一種新興的微流控芯片制造技術(shù)，可以在普通環(huán)境下實現(xiàn)一步式加工，輕松打印出結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的3D管道形狀，便于微流控技術(shù)研究，推廣與共享。然而，當(dāng)前通過立體光固化3D打印的微流控器件在沿著打印方向上難以實現(xiàn)微米級精度（小于100微米）。造成這一問題的根本原因是打印方向即Z方向上的過度固化（over-curing）。在打印通道頂層（channel-roof layer）及之后的層時，難以保證通道內(nèi)的樹脂不會固化進(jìn)而堵塞通道。


02【成果概要】

南加州大學(xué)的Yong Chen教授和其團(tuán)隊成員Yang Xu博士（一作），及Noah Malmstadt教授研發(fā)出一種原位轉(zhuǎn)移光固化3D打印工藝（In-situ Transfer Vat Photopolymerization，IsT-VPP），該工藝可以高效可靠地打印出通道高度僅為10微米，精度±1微米的微流控器件，并有潛力進(jìn)一步提升微流道高度的分辨率。相關(guān)研究成果以“In-situ transfer vat photopolymerization for transparent microfluidic device fabrication”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。其他參與者包括普渡大學(xué)教授Huachao Mao，南加州大學(xué)碩士生Fangjie Qi, Songwei Li等。

該工藝的核心思路是在傳統(tǒng)的立體光固化打印機基礎(chǔ)上增加一個輔助打印平臺作為約束平面，將至關(guān)重要的通道頂層通過兩次曝光分開打印，并原位轉(zhuǎn)印到微流體器件上。通過這種方式極大減少了通道內(nèi)樹脂吸收的光能，使得總吸收能量遠(yuǎn)低于固化所需的能量閾值，避免了過度固化導(dǎo)致的通道堵塞。通過這種方法，研究者打印了一系列10微米級微流控通道并展示了一系列微流控應(yīng)用，如微流控閥，微粒篩選器等。


03【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 傳統(tǒng)立體光固化與IsT-VPP工藝對比

圖 2. IsT-VPP 3D打印工藝原理

圖3. 3D打印微流控通道

圖 4. 3D打印微流控閥

圖5. 3D打印微粒篩選器

04【結(jié)論與展望】

比起其他高精度立體光固化技術(shù)，文章中展示的實驗樣機采用了低成本的405nm光源和普通的商用透明樹脂，無需添加特殊的吸光劑。如此一來，可供3D打印微流控器件的材料被極大拓展，材料人員可以專心開發(fā)新材料以滿足生物兼容性和彈性等需求，無需擔(dān)心可打印性。研究人員認(rèn)為借助高分辨率的投影儀或激光，通過IsT-VPP工藝 3D打印的微流控器件精度可以媲美PDMS軟刻蝕且成本更低，這將推動新微流控器件的開發(fā)與應(yīng)用。

文獻(xiàn)：Xu, Y., Qi, F., Mao, H. et al. In-situ transfer vat photopolymerization for transparent microfluidic device fabrication. Nat Commun 13, 918 (2022).