CADworks3D：微流體領(lǐng)域創(chuàng)新，使用3D打印母模制造PDMS設(shè)備

近年來，用于微流體應(yīng)用的 PDMS 設(shè)備的制造取得了重大進(jìn)展。新的研究正在從光刻等傳統(tǒng)技術(shù)轉(zhuǎn)向軟光刻等更具成本效益的替代技術(shù)，探索3D打印的集成以及如何將其融入現(xiàn)有的設(shè)備制造工作流程是目前研究的重點(diǎn)。

加拿大 3D 打印機(jī)制造商和 3D 材料開發(fā)商CADworks3D是該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。CADworks3D 將突破性的 3D 打印機(jī)技術(shù)與專用 3D 光聚合物材料相結(jié)合，為制造 PDMS 設(shè)備構(gòu)建了完整且高效的 3D 打印解決方案。這包括ProFluidics 285D DLP 打印機(jī)和內(nèi)部光聚合物樹脂，即PDMS設(shè)備樹脂主模具。


△CADworks3D 的ProFluidics 285D 3D 打印機(jī)和用于 PDMS 設(shè)備光聚合物樹脂的母模

從光刻到軟光刻的演變

微流體研究的早期階段將光刻視為在微流體設(shè)備上創(chuàng)建微結(jié)構(gòu)和圖案的首選技術(shù)，涉及使用光掩模、潔凈室設(shè)施和復(fù)雜的化學(xué)工藝，在硅晶片或載玻片等基材上創(chuàng)建精確的圖案。

雖然光刻提供了高分辨率圖案，但確實(shí)有明顯的局限性。創(chuàng)建單個(gè)設(shè)備需要許多步驟以及多種不同的工具和化學(xué)品，其中包括專用設(shè)備和潔凈室設(shè)施，這使得該技術(shù)昂貴并且小規(guī)模應(yīng)用并不適用。此外，光刻法對于生產(chǎn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)或三維結(jié)構(gòu)并不理想，它是一種單層工藝，創(chuàng)建多層結(jié)構(gòu)或 3D 微流體系統(tǒng)需要多輪光刻、對準(zhǔn)和鍵合工藝，這些過程非常耗時(shí)且容易出現(xiàn)對準(zhǔn)錯(cuò)誤。

光刻法主要適用于處理硅和玻璃等半導(dǎo)體材料，對于與工藝中使用的刺激性化學(xué)品和高溫不相容的材料來說并不理想。市場上針對更易使用和通用的微流體設(shè)備的需求不斷增長，軟光刻已成為行業(yè)游戲規(guī)則的改變者。

用于創(chuàng)建 PDMS 器件的軟光刻

軟光刻技術(shù)是作為光刻技術(shù)的替代方案而開發(fā)的，解決了前身的許多限制，特別是在成本、易操作性和材料兼容性方面。它是指在微流體裝置制造中使用彈性體材料的一組技術(shù)，其中聚二甲基硅氧烷（PDMS）是最普遍的。有了它，研究人員現(xiàn)在可以更快、更高效地原型設(shè)計(jì)和制造微流體裝置。

軟光刻從創(chuàng)建主模具開始，通常使用光刻技術(shù)。該母模包含所需微流體特征（例如通道和腔室）的負(fù)模。然后將 PDMS 混合，倒入主模具上，并固化以創(chuàng)建主模具的復(fù)制品。該復(fù)制品從主模具上剝離，并通過氧等離子體處理或化學(xué)鍵合到基底上，創(chuàng)建密封的微流體裝置。最大的優(yōu)勢是能夠在短時(shí)間內(nèi)用一個(gè)母模生產(chǎn)多個(gè)微流控PDMS器件。

利用 3D 打印母模加速軟光刻工藝

將 3D 打印集成到軟光刻工作流程中代表著微流體器件制造的下一步發(fā)展。

光刻是最常見的母模制造技術(shù)。然而，正如所討論的，光刻過程昂貴、耗時(shí)，并且在及時(shí)構(gòu)建復(fù)雜設(shè)計(jì)和三維特征方面還有很多不足之處。3D 打印通過提供一種新的、高效的方法來創(chuàng)建主模具來解決這些挑戰(zhàn)。

3D 打印可以快速制作微流體裝置設(shè)計(jì)的原型。它使研究人員能夠在一個(gè)工作日內(nèi)通過 3D 打印新的主模具來快速迭代和修改他們的設(shè)計(jì)，從而減少與傳統(tǒng)模具制造相關(guān)的時(shí)間和成本。微流體設(shè)備變得高度可定制，研究人員可以輕松創(chuàng)建定制的微結(jié)構(gòu)并根據(jù)需要對其進(jìn)行調(diào)整以滿足特定的應(yīng)用要求。


△使用 3D 打印主模具的 PDMS 設(shè)備制造工作流程

適用于 PDMS 設(shè)備的 CADworks3D 解決方案

CADwork3D 開發(fā)了一種專為 PDMS 設(shè)備制造而定制的 3D 打印解決方案。研究人員能夠在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi) 3D 打印、清潔和固化主模具，并且在一個(gè)工作日內(nèi)就可以鑄造 PDMS 設(shè)備并準(zhǔn)備好粘合到基材上。

ProFluidics 285D是 CADworks3D 的旗艦 DLP 3D 打印機(jī)。雖然市場上大多數(shù) 3D 打印機(jī)都是從其他行業(yè)改造而來，但 ProFluidics 285D 是專為微流體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用獨(dú)特的技術(shù)，稱為動態(tài)像素優(yōu)勢。這使得用戶能夠打印具有卓越 3D 打印功能的微流體設(shè)備，并且 3D 打印設(shè)備與原始 CAD 文件中顯示的預(yù)期設(shè)計(jì)非常相似。與其他 3D 打印平臺相比，ProFluidics 285D 具有更平滑的表面光潔度和正確解析的曲線，可產(chǎn)生復(fù)雜的三維微觀特征，例如蛇形通道、微孔和圓頂。



△在 ProFluidics 285D 上 3D 打印的一組 CADworks3D 主模具

當(dāng)與 CADworks3D 的PDMS 設(shè)備樹脂母模結(jié)合使用時(shí)，用戶能夠構(gòu)建具有 50μm 開放通道和 0.18μm 表面粗糙度的母模。這種光聚合物的配方可減少制造微流體 PDMS 設(shè)備所需的步驟。成功的PDMS鑄造不需要脫模劑、涂層或其他預(yù)處理工藝。3D打印母模能夠承受正確固化 PDMS 所需的溫度。根據(jù)多倫多大學(xué)Kelley 實(shí)驗(yàn)室提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如果保養(yǎng)得當(dāng)，一個(gè)3D打印母�？捎糜谥圃斐�過 500 個(gè) PDMS 設(shè)備。此外，3D打印母模不會吸收任何化學(xué)物質(zhì)，從而使鑄造的 PDMS 設(shè)備能夠保留其生物相容性。


△CADworks3D 樣品主模具的特寫。在ProFluidics 285D上 3D 打印

通過將軟光刻與 3D 打印相結(jié)合，研究人員可以獲得快速原型制作能力以及創(chuàng)建高度定制的復(fù)雜三維微流體設(shè)備的能力。這種集成為跨不同科學(xué)學(xué)科和行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用打開了大門，更接近于更容易獲得和定制的微流體解決方案，而成本僅為傳統(tǒng)方法的一小部分。