連續(xù)界面光刻技術(shù)最新突破！Carbon利用iCLIP 新技術(shù)3D 打印高分辨率微流體通道

2024年9月14日，南極熊獲悉，來(lái)自斯坦福大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的高分辨率樹(shù)脂 3D 打印工藝——基于注射的連續(xù)液體界面制造技術(shù)（iCLIP）。這種新方法是此前CLIP技術(shù)的改良版本，消除了樹(shù)脂在負(fù)空間（如通道或空隙）中過(guò)度固化的風(fēng)險(xiǎn)，使其成為 3D 打印微流體設(shè)備的理想選擇。

相關(guān)研究以題為“High-resolution stereolithography: Negative spaces enabled by control of fluid mechanics/高分辨率立體光刻：通過(guò)流體力學(xué)控制實(shí)現(xiàn)的負(fù)空間”的發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊（PNAS）上。加州 3D 打印機(jī)制造商Carbon的聯(lián)合創(chuàng)始人兼前首席執(zhí)行官 Joseph M. DeSimone是該論文的共同作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2405382121

DeSimone 現(xiàn)在是Carbon公司的董事會(huì)成員，在開(kāi)發(fā) Carbon 的專(zhuān)利連續(xù)液體界面生產(chǎn)(CLIP) 技術(shù)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。斯坦福團(tuán)隊(duì)在研究中利用了CLIP 的，稱(chēng)為注射 CLIP (iCLIP)。

除了項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 Ian A. Coates 和 Gabriel Lipkowitz 之外，DeSimone 還是一項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)的發(fā)明者，該專(zhuān)利申請(qǐng)涉及使用 iCLIP 進(jìn)行負(fù)空間保存的方法。CLIP 和 iCLIP 專(zhuān)利和專(zhuān)利申請(qǐng)將授權(quán)給一家名為 PinPrint 的新疫苗和藥物輸送公司，該公司由 DeSimone 共同創(chuàng)立。

斯坦福團(tuán)隊(duì)的 iCLIP 方法在 3D打印過(guò)程中不斷通過(guò)負(fù)空間輸送新鮮的可聚合樹(shù)脂流。這取代了存在過(guò)度固化風(fēng)險(xiǎn)的樹(shù)脂，從而可以生產(chǎn)出高度和直徑明顯較小的通道。

Carbon 的主管應(yīng)用工程師Andrew Sink在 X 上發(fā)帖稱(chēng)，這種基于注射的樹(shù)脂3D 打印工藝是“增材制造領(lǐng)域的新飛躍”。Sink 表示：“它將在光聚合物領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)令人難以置信的成就。”

據(jù)研究人員介紹，iCLIP 為血管床和微流體支持的微針等高分辨率微系統(tǒng)設(shè)備提供了更好的設(shè)計(jì)和材料自由。

△iCLIP過(guò)程示意圖及由此產(chǎn)生的解析負(fù)結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)自 PNAP。

如何防止樹(shù)脂3D打印過(guò)度固化？

負(fù)空間對(duì)于微流體裝置、生物醫(yī)學(xué)裝置、血管網(wǎng)絡(luò)、分離介質(zhì)和電子電路至關(guān)重要。它們有助于精確控制流體流動(dòng)、提高傳感器精度和增強(qiáng)分離效率。

增材制造方法越來(lái)越多地被采用來(lái)生產(chǎn)這些微系統(tǒng)。立體光刻 3D 打印，包括數(shù)字光處理 (DLP)，在這一領(lǐng)域尤為流行。DLP 3D 打印機(jī)使用紫外線(xiàn)的二維投影逐層固化光聚合樹(shù)脂層。

盡管與 DLP 相關(guān)，但 CLIP3D 打印依賴(lài)于構(gòu)建表面的樹(shù)脂更新。該工藝采用透氧窗口，在樹(shù)脂桶底部形成無(wú)聚合區(qū)域。這個(gè)“死區(qū)”可防止液態(tài)樹(shù)脂固化并粘附在投影窗口上，從而縮短 3D 打印時(shí)間并創(chuàng)建更易碎的綠色部件。

在立體光刻中，高分辨率光學(xué)元件用于精確引導(dǎo)紫外線(xiàn)并準(zhǔn)確固化 XY 平面上的每一層樹(shù)脂。然而，在 Z 軸（垂直方向）上實(shí)現(xiàn)高分辨率則更具挑戰(zhàn)性。

此時(shí)，很難將光線(xiàn)限制在單層內(nèi)，因?yàn)樽贤饩�(xiàn)會(huì)泄漏到之前的 3D 打印層中。這會(huì)導(dǎo)致部件分辨率降低，并且樹(shù)脂會(huì)在先前創(chuàng)建的負(fù)空間中過(guò)度固化。

目前為克服這一問(wèn)題所采取的措施包括將紫外線(xiàn)衰減添加劑加入樹(shù)脂中，以控制層厚度，從而提高 3D 打印精度。然而，這些添加劑需要更強(qiáng)的光線(xiàn)來(lái)硬化樹(shù)脂，從而減慢了 3D 打印過(guò)程。它們通常還具有毒性，因此不適合用于醫(yī)療或生命科學(xué)應(yīng)用。

因此，研究人員轉(zhuǎn)向了 iCLIP 3D 打印。該團(tuán)隊(duì)不斷將自然氧化（抑制）樹(shù)脂泵入構(gòu)建平臺(tái)，沖洗掉 3D 打印通道中可能過(guò)度固化的任何殘留樹(shù)脂。這種方法使團(tuán)隊(duì)能夠使用各種材料成功 3D 打印高分辨率負(fù)空間。   

△微流體分配器、血管灌注床和通過(guò)高分辨率 iCLIP 打印的微流體微陣列貼片。圖片來(lái)自 PNAS。

iCLIP 3D 打印高分辨率微流體通道   

為了驗(yàn)證他們的假設(shè)，斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)最初以 0° 到 90° 的角度 3D 打印了直徑為200 μm 的微通道。

使用傳統(tǒng)的立體光刻 3D 打印，90°通道極易發(fā)生過(guò)度固化。當(dāng)使用 iCLIP 制作通道時(shí)，光學(xué)顯微圖像表明所有角度均以高分辨率 3D 打印而成。   

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)以 30° 角 3D 打印了一個(gè)微流體網(wǎng)絡(luò)，通道直徑在 50 μm 到 200 μm 之間。當(dāng)使用 iCLIP 工藝時(shí)，成像和電子顯微鏡均證實(shí)了整個(gè)負(fù)空間的精確分辨率。

△不同通道間距的 CLIP 和 iCLIP 打印件。圖片來(lái)自 PNAS。

研究人員還研究了 iCLIP 3D 打印過(guò)程中新鮮樹(shù)脂的注入速率如何影響通道分辨率。他們創(chuàng)建了一個(gè)“周轉(zhuǎn)數(shù)”（Tu）來(lái)測(cè)量新鮮樹(shù)脂的注入速度與負(fù)空間（或通道）的打印速度之間的比率。

未注入樹(shù)脂時(shí)，3D 打印通道會(huì)過(guò)度固化，形成不正常。隨著 Tu 的增加和更多樹(shù)脂的注入，通道更接近預(yù)期設(shè)計(jì)。但是，流速增加太多可能會(huì)導(dǎo)致通道變寬或破裂。

研究人員還評(píng)估了 Tu 與樹(shù)脂穿透深度(Dp) 之間的關(guān)系，即紫外線(xiàn)在失效前可以進(jìn)入樹(shù)脂的距離。研究小組發(fā)現(xiàn)，隨著 Dp 的增加，實(shí)現(xiàn)精確通道分辨率所需的 Tu 也會(huì)增加。這確保了新鮮樹(shù)脂在受到過(guò)多紫外線(xiàn)照射之前取代舊樹(shù)脂，從而在 3D 打印過(guò)程中保持正確的層形成。

展望未來(lái)，研究人員相信 iCLIP 3D 打印將為個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備和微機(jī)電應(yīng)用提供重要價(jià)值。

為了證明這一點(diǎn)，他們 3D 打印了一系列支持 iCLIP 的微系統(tǒng)，包括微針貼片、血液運(yùn)輸系統(tǒng)的血管網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)電鎵元素和多孔灌注網(wǎng)絡(luò)。

考慮到 DeSimone 為其新生物醫(yī)學(xué)公司申請(qǐng)此項(xiàng)技術(shù)專(zhuān)利的努力，類(lèi)似這樣的設(shè)備可能很快就會(huì)進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)。

△微流體驅(qū)動(dòng)的微針貼片。圖片來(lái)自 PNAS。

3D打印微流體設(shè)備

增材制造在微流體應(yīng)用中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。去年，昆士蘭科技大學(xué)的研究人員評(píng)估了樹(shù)脂 3D打印在生產(chǎn)用于細(xì)胞應(yīng)用的微流體組件方面的能力。

DMG Digital Enterprises的MOIIN High Temp和MOIIN Tech Clear樹(shù)脂與ASIGA UV Max X27 DLP 3D 打印機(jī) 配合使用，可制造常見(jiàn)的微流體設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)包括 2D 單層培養(yǎng)裝置、柱陣列和液滴發(fā)生器的收縮通道。

研究得出結(jié)論，MOIIN High Temp 和 MOIIN Tech Clear 樹(shù)脂可有效用于 3D 打印細(xì)胞應(yīng)用的微流體通道。這兩種材料均被證實(shí)具有生物相容性，并且可通過(guò)顯微鏡等成像平臺(tái)看到。

此外，麻省理工學(xué)院(MIT) 的研究人員最近開(kāi)發(fā)出了一種自加熱的 3D 打印微流體設(shè)備。該設(shè)備僅需價(jià)值約 2 美元的材料，即可制造成低成本的疾病檢測(cè)工具。

麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)采用了多材料擠壓 3D 打印技術(shù)，包括可生物降解的聚合物（聚乳酸或 PLA）和注入銅納米顆粒的改良版本。當(dāng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮杵鲿r(shí)，這種改良的 PLA 會(huì)導(dǎo)電。這使得電流可以以熱量的形式消散，從而形成一個(gè)可以一步完成 3D 打印的自加熱微流體裝置。