微流體是指流體的行為、精確控制和操縱，這些流體在幾何上被限制在小尺度（通常為亞毫米），在該尺度上，表面力主導(dǎo)體積力。它是一個多學(xué)科領(lǐng)域，涉及工程、物理、化學(xué)、生物化學(xué)、納米技術(shù)和生物技術(shù)。它在處理少量流體以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用、自動化和高通量篩選的系統(tǒng)設(shè)計中具有實(shí)際應(yīng)用。微流控設(shè)備已廣泛應(yīng)用在化學(xué)合成、生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域。

3D打印作為制造微流控芯片的一種有前途的方法引起了微流控器件制造界的關(guān)注。許多研究表明，3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜性結(jié)構(gòu)，規(guī)避復(fù)雜的模具制造流程和勞動密集型生產(chǎn)流程方面，比傳統(tǒng)的PDMS 材料微成型更具有優(yōu)勢。

目前，各種3D打印技術(shù)在制造微流控芯片器件時仍存在不同程度的挑戰(zhàn)以及優(yōu)化提升的空間。近日，南加州大學(xué)Yong Chen教授和其團(tuán)隊成員Yang Xu博士，及Noah Malmstadt教授在3D打印微流體器件方面取得重要進(jìn)展，并在自然-通訊上發(fā)表了題為“In-situ transfer vat photopolymerization for transparentmicrofluidic device fabrication”的學(xué)術(shù)論文。

研究團(tuán)隊提出了一種立體光固化新工藝，顯著提升3D打印微流體分辨率與精度。本期谷.專欄將對這一研究成果的核心內(nèi)容進(jìn)行分享。

論文主要提出了一種原位轉(zhuǎn)移立體光固化3D打印工藝，可以高效可靠地打印出通道高度僅為10微米，精度±1微米的微流體器件，并有潛力進(jìn)一步提升微流道高度的分辨率。

論文其他參與者包括普渡大學(xué)教授Huachao Mao，南加州大學(xué)碩士生Fangjie Qi, Songwei Li等。https://doi.org/10.1038/s41467-022-28579-z

研究背景

新藥研發(fā)的高昂成本已經(jīng)成為一項全球挑戰(zhàn)，導(dǎo)致醫(yī)療服務(wù)價格上漲，研發(fā)周期變長。統(tǒng)計顯示，每種新藥物平均研發(fā)成本已超過10億美元。其中很大一部分花費(fèi)來自專業(yè)設(shè)備，工具，試劑以及大量單調(diào)重復(fù)的試驗工作。

南加州大學(xué)

微流體芯片(MicrofluidicChips)是一種精確控制和操控微尺度流體的芯片技術(shù)，通常整體透明內(nèi)涵一系列微米尺度通道與反應(yīng)室，已經(jīng)成為藥物研發(fā)的重要工具。因其需要試樣和試劑極少，液體流動可控以及高度自動化等特點(diǎn)，在降低成本與縮短周期方面起到了極大作用。

當(dāng)前多數(shù)的微流體芯片由PDMS軟刻蝕（SoftLithography）完成，該工藝需要在無塵室里利用光刻工藝制作倒模以及密集型的手工流程。立體光固化(VatPhotopolymerization)作為一種很有前景的微流體制造技術(shù)，可以輕松制造出更加復(fù)雜的3D幾何形狀實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能，以及在普通環(huán)境中一步式加工，便于微流體技術(shù)研究，推廣與共享。然而，當(dāng)前立體光固化3D打印的微流體器件在打印方向上難以實(shí)現(xiàn)微米級精度（小于100微米）。造成這一問題的根本原因是打印方向即Z方向上的過度固化（over-curingissue）。在打印通道頂層（channel-roof layer）及之后的層時總是難以避免地固化通道內(nèi)的樹脂導(dǎo)致通道堵塞。

新工藝、新思路

光固化3D打印機(jī)+輔助打印平臺

新工藝的核心思路是在傳統(tǒng)的立體光固化打印機(jī)上增加一個輔助打印平臺作為約束平面，將至關(guān)重要的通道頂層通過兩次曝光分開打印，并原位轉(zhuǎn)印到微流體器件上。通過這種方式極大減少了通道內(nèi)樹脂吸收的光能，使得總吸收能量遠(yuǎn)低于固化所需的能量閾值，避免了過度固化導(dǎo)致的通道堵塞。

圖1.傳統(tǒng)立體光固化與IsT-VPP工藝對比

圖 2.IsT-VPP 3D打印工藝原理

研究成果

通過這種方法，研究者打印了一系列10微米級微流體通道并展示了一系列微流道應(yīng)用如微流體閥，微粒篩選器等。

圖3. 3D打印微流控通道

圖 4. 3D打印微流控閥

圖5. 3D打印微粒篩選器

研究人員認(rèn)為借助于高分辨率的投影儀或激光，通過IsT-VPP工藝3D打印的微流體器件精度可以媲美PDMS軟刻蝕，這將極大促進(jìn)微流體器件的新設(shè)計與功能拓展。

此外，比起其他高精度立體光固化技術(shù)，南加州大學(xué)團(tuán)隊的論文中展示的實(shí)驗樣機(jī)采用了低成本的405nm光源，普通的商用透明光固化樹脂可直接使用無需添加特殊的吸光劑。這意味著可用于3D打印微流體器件的材料會被極大拓展，材料研究人員可以專心于調(diào)配新材料以滿足其他需求例如生物兼容性和彈性，而不用擔(dān)心可打印性。