通过双光子聚合制造的3D打印旋转微过滤器

3D打印科研前沿
2021
06/18
09:26
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来源:江苏激光联盟

来自中科大、合肥工业大学和日本RIKEN高级光子学中心的研究人员制造了一种磁驱动旋转微过滤器,可用于过滤微流体设备内的颗粒。他们通过创造一种磁性材料制成了微小的转动过滤器,这种材料可以与一种称为双光子聚合的非常精确的3D打印技术一起使用。

作为利用便携性、安全性和效率优势的微型实验室平台,片上实验室系统已广泛应用于各个领域。近年来,得益于飞秒激光微纳制造技术的不断进步,用于三维(3D)高精度加工、微光学、微流体等多种功能微元件和微机械可以通过简单的程序集成到微芯片中,实现分子检测、细胞操作、催化反应等应用。

常见的功能性微芯片之一是微分选装置,对分离颗粒和富集特殊细胞具有重要意义,并已成功应用于单细胞分析、药物筛选、血细胞分离等。目前的微流控分选方法可分为主动分选和被动分选。前者需要使用外部设备或外力,操作复杂,需要昂贵的设备。同时,后者在集成无源微器件的微流控芯片中实现了无外力的细胞或颗粒分选。微米级微孔过滤器是一种传统的被动分选装置,可以根据孔径大小对颗粒或细胞进行分选。由于过滤器中的孔的数量和形状不能在分选过程中动态改变,因此无法灵活地按需分选不同的颗粒或细胞,从而限制了微芯片的使用。因此,开发一种可以自由切换过滤、通过、选择性过滤等过滤模式的多功能过滤器,可以使应用多样化。

在该研究中,来自中科大、合肥工业大学和日本RIKEN高级光子学中心的研究人员使用飞秒激光双光子聚合在微流控芯片中制造了磁性旋转微过滤器。研究人员首先合成了磁性纳米颗粒,将其混合在光刻胶中以制备磁性光刻胶。为了聚合制备的磁性光刻胶,优化了激光功率密度、脉冲数和扫描间隔等不同工艺参数。然后在载玻片上制作旋转微过滤器,并测试其磁驱动性能。最后,将旋转微过滤器集成到微流控芯片中。在恒定磁场下证明了微流控芯片内部过滤器对“过滤”和“通过”模式的磁响应。过滤性能是用在酒精溶液中含有直径为 2.5 和 8.0 μm 的聚苯乙烯 (PS) 球体的悬浮液来测试的,显示完全过滤了 8.0 μm 的颗粒。设想这种磁驱动旋转微过滤器可以在血细胞分选、微粒纯化和循环肿瘤细胞分离方面提供广泛的应用。
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▲图1. 磁驱动旋转微过滤器的制造过程和磁性颗粒的表征。(a) 具有可切换模式功能的磁驱动旋转微过滤器的制造过程示意图。(b) [Math Processing Error] 纳米粒子的 XRD 图。(c) 小熊猫的 SEM 图像。EDX 映射图像说明来自印刷的小熊猫的 (d) 覆盖层、(e) 碳和 (f) 铁。比例尺:5 μm。

他们使用双光子聚合创建了新的过滤器,它使用聚焦的飞秒激光束来固化或聚合一种称为光刻胶的液体光敏材料。由于双光子吸收,聚合可以以非常精确的方式完成,从而能够制造微米级的复杂结构。

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图2. 双光子示意图

为了制造微过滤器,研究人员合成了磁性纳米粒子并将它们与光刻胶混合。制造旋转式微过滤器要求它们优化用于聚合的激光功率密度、脉冲数和扫描间隔。在载玻片上测试其磁驱动特性后,他们将微过滤器集成到微流体装置中。

多种过滤模式
为了过滤较大的颗粒,应用垂直于微通道的磁场。过滤过程完成后,可以通过施加平行于微通道的磁场释放大颗粒,这将使微过滤器旋转 90°。然后可以根据需要重复过滤过程。

研究人员使用混合在酒精溶液中的直径为 8.0 和 2.5 微米的聚苯乙烯颗粒验证了过滤器的过滤性能。“很明显,小于孔径的颗粒很容易通过微过滤器,而较大的颗粒则被过滤掉,”中国科学技术大学的张晨初说。“在通过模式下,过滤器捕获的任何较大颗粒都会被流体冲走,从而防止过滤器堵塞并允许重复使用微过滤器。”

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▲图3. 磁力旋转微滤器的参数优化与设计。(a) 不同激光功率密度下最小脉冲数的聚合窗口。(b) 磁旋转微过滤器的示意图。【数学加工误差】为外径,【数学加工误差】为轴套内径。盖玻片上的磁性旋转微过滤器 (c) 和通道中的 (d) 的 SEM 图像。所有比例尺:10 μm。

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▲图4. 制造的微过滤器的磁驱动旋转。(a) 在平面上操纵磁旋转微过滤器的示意图。(b) 通过施加不同方向的均匀磁场,在平坦表面上的液体环境中操作磁旋转微过滤器的演示。(c) 磁性操纵通道中旋转微过滤器的示意图。(d) 和 (e) 在充满乙醇的微通道中展示磁性旋转微过滤器的旋转以切换模式。

该研究得到了中国国家自然科学基金、中国国家重点研发项目、中国博士后科学基金和中央大学基础研究基金的支持,相关成果发表在光学学会杂志Optics Letters上。


Chaowei Wang et al, Magnetically driven rotary microfilter fabricated by two-photon polymerization for multimode filtering of particles, Optics Letters (2021). DOI: 10.1364/OL.428751


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