重磅《Nature》子刊：新型3D打印工艺助力微流控芯片制造

来源：材料人

微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块透明且可重用的芯片上，自动完成分析与操作。微流控芯片(Microfluidic Chips)作为微流控技术实现的主要平台，以微管道网络为结构特征，至少在一个维度上为微米级别（1~100微米）。微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、自动化程度极高等特点,可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析,并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程，目前广泛应用于生命科学领域。

微流控芯片的制造依托于微机电加工技术，当前的主流加工技术为PDMS软刻蚀（Soft Lithography）。该制造工艺需要在无尘室中利用光刻工艺制作倒模，过程需要一系列人工操作，高昂的成本限制了微流体芯片的结构复杂度，功能扩展与推广应用。

立体光固化（Vat Photopolymerization）作为一种新兴的微流控芯片制造技术，可以在普通环境下实现一步式加工，轻松打印出结构更加复杂的3D管道形状，便于微流控技术研究，推广与共享。然而，当前通过立体光固化3D打印的微流控器件在沿着打印方向上难以实现微米级精度（小于100微米）。造成这一问题的根本原因是打印方向即Z方向上的过度固化（over-curing）。在打印通道顶层（channel-roof layer）及之后的层时，难以保证通道内的树脂不会固化进而堵塞通道。


02【成果概要】

南加州大学的Yong Chen教授和其团队成员Yang Xu博士（一作），及Noah Malmstadt教授研发出一种原位转移光固化3D打印工艺（In-situ Transfer Vat Photopolymerization，IsT-VPP），该工艺可以高效可靠地打印出通道高度仅为10微米，精度±1微米的微流控器件，并有潜力进一步提升微流道高度的分辨率。相关研究成果以“In-situ transfer vat photopolymerization for transparent microfluidic device fabrication”为题发表在《Nature Communications》上。其他参与者包括普渡大学教授Huachao Mao，南加州大学硕士生Fangjie Qi, Songwei Li等。

该工艺的核心思路是在传统的立体光固化打印机基础上增加一个辅助打印平台作为约束平面，将至关重要的通道顶层通过两次曝光分开打印，并原位转印到微流体器件上。通过这种方式极大减少了通道内树脂吸收的光能，使得总吸收能量远低于固化所需的能量阈值，避免了过度固化导致的通道堵塞。通过这种方法，研究者打印了一系列10微米级微流控通道并展示了一系列微流控应用，如微流控阀，微粒筛选器等。


03【图文导读】

图1. 传统立体光固化与IsT-VPP工艺对比

图 2. IsT-VPP 3D打印工艺原理

图3. 3D打印微流控通道

图 4. 3D打印微流控阀

图5. 3D打印微粒筛选器

04【结论与展望】

比起其他高精度立体光固化技术，文章中展示的实验样机采用了低成本的405nm光源和普通的商用透明树脂，无需添加特殊的吸光剂。如此一来，可供3D打印微流控器件的材料被极大拓展，材料人员可以专心开发新材料以满足生物兼容性和弹性等需求，无需担心可打印性。研究人员认为借助高分辨率的投影仪或激光，通过IsT-VPP工艺 3D打印的微流控器件精度可以媲美PDMS软刻蚀且成本更低，这将推动新微流控器件的开发与应用。

文献：Xu, Y., Qi, F., Mao, H. et al. In-situ transfer vat photopolymerization for transparent microfluidic device fabrication. Nat Commun 13, 918 (2022).