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，來自斯坦福大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的高分辨率樹脂 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，消除了樹脂在負空間（如通道或空隙）中過度固化的風(fēng)險，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：通過流體力學(xué)控制實現(xiàn)的負空間”的發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）上。加州 3D 打印機制造商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公司的董事會成員，在開發(fā) Carbon 的專利連續(xù)液體界面生產(chǎn)(CLIP) 技術(shù)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。斯坦福團隊在研究中利用了CLIP 的，稱為注射 CLIP (iCLIP)。

除了項目負責(zé)人 Ian A. Coates 和 Gabriel Lipkowitz 之外，DeSimone 還是一項專利申請的發(fā)明者，該專利申請涉及使用 iCLIP 進行負空間保存的方法。CLIP 和 iCLIP 專利和專利申請將授權(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。

斯坦福團隊的 iCLIP 方法在 3D打印過程中不斷通過負空間輸送新鮮的可聚合樹脂流。這取代了存在過度固化風(fēng)險的樹脂，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，這種基于注射的樹脂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)計和材料自由。

△iCLIP過程示意圖及由此產(chǎn)生的解析負結(jié)構(gòu)。圖片來自 PNAP。

如何防止樹脂3D打印過度固化？

負空間對于微流體裝置、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、提高傳感器精度和增強分離效率。

增材制造方法越來越多地被采用來生產(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 打印機使用紫外線的二維投影逐層固化光聚合樹脂層。

盡管與 DLP 相關(guān)，但 CLIP3D 打印依賴于構(gòu)建表面的樹脂更新。該工藝采用透氧窗口，在樹脂桶底部形成無聚合區(qū)域。這個“死區(qū)”可防止液態(tài)樹脂固化并粘附在投影窗口上，從而縮短 3D 打印時間并創(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)紫外線并準確固化 XY 平面上的每一層樹脂。然而，在 Z 軸（垂直方向）上實現(xiàn)高分辨率則更具挑戰(zhàn)性。

此時，很難將光線限制在單層內(nèi)，因為紫外線會泄漏到之前的 3D 打印層中。這會導(dǎo)致部件分辨率降低，并且樹脂會在先前創(chuàng)建的負空間中過度固化。

目前為克服這一問題所采取的措施包括將紫外線衰減添加劑加入樹脂中，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的光線來硬化樹脂，從而減慢了 3D 打印過程。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。該團隊不斷將自然氧化（抑制）樹脂泵入構(gòu)建平臺，沖洗掉 3D 打印通道中可能過度固化的任何殘留樹脂。這種方法使團隊能夠使用各種材料成功 3D 打印高分辨率負空間。   

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

iCLIP 3D 打印高分辨率微流體通道   

為了驗證他們的假設(shè)，斯坦福大學(xué)團隊最初以 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)生過度固化。當(dāng)使用 iCLIP 制作通道時，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，該團隊以 30° 角 3D 打印了一個微流體網(wǎng)絡(luò)，通道直徑在 50 μm 到 200 μm 之間。當(dāng)使用 iCLIP 工藝時，成像和電子顯微鏡均證實了整個負空間的精確分辨率。

△不同通道間距的 CLIP 和 iCLIP 打印件。圖片來自 PNAS。

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

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

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

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

為了證明這一點，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)公司申請此項技術(shù)專利的努力，類似這樣的設(shè)備可能很快就會進入商業(yè)市場。

△微流體驅(qū)動的微針貼片。圖片來自 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)用越來越廣泛。去年，昆士蘭科技大學(xué)的研究人員評估了樹脂 3D打印在生產(chǎn)用于細胞應(yīng)用的微流體組件方面的能力。

DMG Digital Enterprises的MOIIN High Temp和MOIIN Tech Clear樹脂與ASIGA UV Max X27 DLP 3D 打印機 配合使用，可制造常見的微流體設(shè)計。這些設(shè)計包括 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 樹脂可有效用于 3D 打印細胞應(yīng)用的微流體通道。這兩種材料均被證實具有生物相容性，并且可通過顯微鏡等成像平臺看到。

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

麻省理工學(xué)院團隊采用了多材料擠壓 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，這種改良的 PLA 會導(dǎo)電。這使得電流可以以熱量的形式消散，從而形成一個可以一步完成 3D 打印的自加熱微流體裝置。