基于原位轉(zhuǎn)移光固化技術(shù)制造透明微流體器件

來(lái)源： EFL生物3D打印與生物制造

立體光固化3D打印技術(shù)（VPP）在制造微流體器件方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，但VPP打印透明樹脂時(shí)，光穿透深度很大易造成過(guò)度固化，從而導(dǎo)致流道堵塞，難以在Z軸方向上實(shí)現(xiàn)對(duì)微米級(jí)(小于100 μm)通道的良好控制。近期，來(lái)自University of Southern California的Yong Chen團(tuán)隊(duì)提出了一種3D打印技術(shù)-原位轉(zhuǎn)移光固化技術(shù)（IsT-VPP），可以精確制作Z軸方向上高分辨率（10μm以內(nèi)）和精度（±1μm）的微流控通道，同時(shí)打破了光穿透深度對(duì)打印通道高度的限制。相關(guān)論文“In-situ transfer vat photopolymerization for transparent microfluidic device fabrication”發(fā)表在Nature Communications雜志上。

研究人員首先探究了樹脂的光學(xué)性質(zhì)以及光劑量分布對(duì)制備微流體器件的影響，通過(guò)能量控制以及比爾-朗伯特定律計(jì)算光劑量也無(wú)法精確控制通道頂層厚度，為此研究人員使用輔助平臺(tái)固化通道頂層，減少了通道內(nèi)吸收的總光劑量，并制造了一個(gè)USC形狀的流體路由器，證明了此方法可制備高精度、無(wú)組裝、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的3D微流控設(shè)備（圖1）。

圖1 樹脂光學(xué)性質(zhì)和光劑量分布對(duì)制備微流控通道的影響

接著，研究人員創(chuàng)建了原位轉(zhuǎn)移光固化裝置（IsT-VPPA）用于實(shí)現(xiàn)微流控設(shè)備的制造并說(shuō)明了打印過(guò)程（圖2），其中IsT-VPPA與傳統(tǒng)的光固化技術(shù)區(qū)別在于擁有一個(gè)被PDMS涂覆的輔助平臺(tái)，用于打印流道頂層。

圖2 IsT-VPP打印過(guò)程的原理

隨后，研究人員為了驗(yàn)證IsT-VPP可實(shí)現(xiàn)精確微流控通道高度控制，打印了包含寬75µm，高為10、20、30、40、50和60µm的嵌入式通道，發(fā)現(xiàn)通道均準(zhǔn)確，表面光潔度良好（圖3a、b）。為進(jìn)一步驗(yàn)證提出的方法制造多層微通道的可行性，打印了一個(gè)具有24個(gè)通道（高度：10µm-60µm）的模型，SEM結(jié)果和統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明通道平均誤差<1.5µm，表明了制造方法的可靠性（圖3c、d、e）。

圖3 IsT-VPP制備高精度微流控通道

其次，研究人員還利用IsT-VPP打印出間隙大小可調(diào)節(jié)且透明的震動(dòng)式微流控閥以及可取代機(jī)器人移液器或手動(dòng)移液器的自動(dòng)試樣平臺(tái)，表明了IsT-VPP使微流控芯片中的微流控自動(dòng)化組件在設(shè)計(jì)靈活性、材料選擇和功能擴(kuò)展方面受益（圖4）。

圖4 3D打印微流控閥和自動(dòng)化試樣平臺(tái)

最后，研究人員為證明IsT-VPP的實(shí)用性，設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)堰式微濾器系統(tǒng)，通過(guò)精確的通道間隙控制實(shí)現(xiàn)了高純度微粒分選（圖5）。

圖5 3D打印微粒分選裝置

綜上所述，該文章提出了一種基于光固化技術(shù)的3D打印方法，可以精確制作高Z分辨率（10μm以內(nèi)）和精度（±1μm）的微流控通道，集成了輔助平臺(tái)用于打印通道頂層，降低了通道中液體樹脂的能量滲透，打破了光穿透深度對(duì)最小可打印通道高度的限制。所打印的流體路由器、微閥和微粒分選芯片證明了IsT -VPP是一種簡(jiǎn)單、通用的3D打印微流控通道制造方法，通道高度可精確控制。在不久的將來(lái)，IsT-VPP打印微流控設(shè)備的性能和功能將得到進(jìn)一步增強(qiáng)和擴(kuò)展。

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28579-z