基于側面數字光處理的3D打印技術快速制備微流控芯片

來源：微流控


由于在生物、化學及醫(yī)學等領域有巨大潛力，微流控芯片技術廣泛應用于藥物篩選、新藥開發(fā)及癌癥研究等多個領域，其中微流控芯片的制備是科研人員關注的熱點。傳統(tǒng)制作微流控芯片的工藝流程比較復雜，制作周期較長，且一般需要凈化間及其他昂貴的設備。3D打印具有成本低廉、制作快速的優(yōu)勢，因此基于3D打印技術制作微流控芯片成為一種替代方案。目前3D打印技術主要用于制作模具，但打印得到的模具需要后續(xù)處理才能進行聚二甲基硅氧烷（PDMS）等結構復制，因此延長了微流控芯片的制備周期，不利于快速設計結構進行原型驗證。近年來，通過數字光處理（DLP）技術制作一體化封閉管道和接口的研究備受關注，它通過合并微通道、閥門及出入口進行打印，是“一步”制作方法，且無需鍵合、翻模等工藝，因此成為科研人員關注的熱點。

近期，上海交通大學研究人員基于DLP技術設計了一種側面打印方式，并通過該技術制備一體化封閉管道和接口的微流控芯片，初步驗證了側面曝光打印技術未來在微流控芯片及微納制造領域中的應用。相關研究成果以“基于側面DLP的3D打印技術制作微流控芯片”為題發(fā)表在期刊《微納電子技術》上。

研究人員首先設計和構建了側面DLP 3D打印系統(tǒng)（圖1、2），投影光機使用30w、波長405nm的紫外LED作為光源，數字微鏡器件裝置是DLP光機的核心部件，該裝置含有上百萬個按序排列的微型鏡片，每個鏡片對應于成像圖片中的一個像素。利用計算機向投影儀輸入數字圖像或視頻后，光源與鏡片組配合使投影儀可清晰地投射出數字圖像。為實現(xiàn)三維物體打印，研究人員通過Y軸位移平臺控制打印平臺移動，設置Y軸單層厚度完成逐層打印。

圖1 側面DLP 3D打印技術的原理圖


圖2 側面DLP 3D打印系統(tǒng)的機械結構圖

接著，研究人員設計搭建了4F雙遠心光路系統(tǒng)實現(xiàn)投影系統(tǒng)成像，4F系統(tǒng)將小孔光闌放在光學系統(tǒng)的中間，使物面位于物鏡的前焦面，在4F系統(tǒng)的中間焦面即物鏡后焦面、筒鏡前焦面放置光闌，像面位于筒鏡后焦面。圖3為打印系統(tǒng)的光路示意圖，可調光闌放置于物鏡（焦距F1=100mm，雙膠合透鏡）和筒鏡（焦距F2=160mm，平凸透鏡）的共焦面位置，二維投影由DMD發(fā)出后通過4F系統(tǒng)成像至打印平臺。

圖3 側面DLP 3D打印系統(tǒng)的光路示意圖

而后，研究人員采用一步法制備了微流控芯片。具體地，研究人員設計了中空管道模型，并利用側面DLP曝光體系打印模型，圖4為利用側面曝光系統(tǒng)實現(xiàn)逐層打印中空管道的過程，將結構內部未被固化的樹脂沖洗之后即可得到中空管道。并設計了U型管和多支路管道模型用于一體化封閉管道的打印測試，圖5和圖6分別為單接口和雙接口兩種一體化封閉管道的模型及打印結果，設置單層厚度為100μm，單接口模型中曝光時間設置為8層基底層各曝光12s，52層普通層各曝光9s，整個模型打印時長27min。打印完成后對打印結構進行后處理，并對管道灌入紅色和綠色染料測試打通率。其中單接口管道模型的管道直徑為1mm，打通率為100%。雙接口管道模型的管道直徑為0.5mm，打通率也為100%。

圖4 逐層打印中空管道流程圖


圖5 單接口管道模型及打印結果


圖6 雙接口管道模型及打印結果

最后，為測試多層互連管道的打印情況，研究人員設計了雙層U型互連管道，并進行打印測試，圖7（a）為雙層互連U型管的STL 模型圖，設計模型高度為5mm，圖7（b）為模型的部分切片圖，設置單層切片厚度為50μm，曝光時間設置為8層基底層各曝光9s，92層普通層各曝光4s，整個模型的打印時長為40min。打印完成后對打印結構進行后處理，并對管道灌入黃色染料測試打通率，圖7（c）和（d）為打印的多層互連管道正面和側面圖，其中管道直徑為0.8mm，兩層U型管和連通管道均打通。

圖7 多層互連管道打印結果

綜上所述，該項研究基于數字光處理（DLP）技術提出了一種新型的側面曝光打印技術，并利用4F光路以及運動系統(tǒng)完成平臺搭建。該3D打印系統(tǒng)的投影圖像分辨率為12.5μm，靶面約為16mm × 10mm。相比常用的上曝光或下曝光3D打印技術，其容易消除氣泡且裝置簡單。通過對封閉管道打印機制分析及實驗優(yōu)化，可實現(xiàn)直徑400μm的圓形或邊長400μm的方形等封閉管道打印。為驗證側面曝光打印平臺打印微流控芯片的可行性，設計具有一體化封閉管道和接口的模型進行打印測試，40min可以打印一個6mm厚的微流控芯片，管道打通率為100%。結果表明該平臺可用于快速制作微流控芯片，未來可用于微流控及微納制造領域。

論文鏈接：
http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-BDTQ202205008.htm