最新Nat. Commun.丨新型3D打印工藝助力微流控芯片制造

一、【引言】

微流控芯片技術(Microfluidics)是把生物、化學、醫學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊透明且可重用的芯片上，自動完成分析與操作。微流控芯片(Microfluidic Chips)作為微流控技術實現的主要平臺，以微管道網絡為結構特征，至少在一個維度上為微米級別（1~100微米）。微流控芯片具有液體流動可控、消耗試樣和試劑極少、自動化程度極高等特點,可以在幾分鐘甚至更短的時間內進行上百個樣品的同時分析,并且可以在線實現樣品的預處理及分析全過程，目前廣泛應用于生命科學領域。

微流控芯片的制造依托于微機電加工技術，當前的主流加工技術為PDMS軟刻蝕（Soft?Lithography）。該制造工藝需要在無塵室中利用光刻工藝制作倒模，過程需要一系列人工操作，高昂的成本限制了微流體芯片的結構復雜度，功能擴展與推廣應用。

立體光固化（Vat?Photopolymerization）作為一種新興的微流控芯片制造技術，可以在普通環境下實現一步式加工，輕松打印出結構更加復雜的3D管道形狀，便于微流控技術研究，推廣與共享。然而，當前通過立體光固化3D打印的微流控器件在沿著打印方向上難以實現微米級精度（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-curing）。在打印通道頂層（channel-roof?layer）及之后的層時，難以保證通道內的樹脂不會固化進而堵塞通道。

二、【成果概要】

南加州大學的Yong?Chen教授和其團隊成員Yang?Xu博士（一作），及Noah Malmstadt教授研發出一種原位轉移光固化3D打印工藝（In-situ?Transfer Vat Photopolymerization，IsT-VPP），該工藝可以高效可靠地打印出通道高度僅為10微米，精度±1微米的微流控器件，并有潛力進一步提升微流道高度的分辨率。相關研究成果以“In-situ transfer vat photopolymerization for transparent microfluidic device fabrication”為題發表在《Nature?Communications》上。其他參與者包括普渡大學教授Huachao Mao，南加州大學碩士生Fangjie?Qi, Songwei Li等。

該工藝的核心思路是在傳統的立體光固化打印機基礎上增加一個輔助打印平臺作為約束平面，將至關重要的通道頂層通過兩次曝光分開打印，并原位轉印到微流體器件上。通過這種方式極大減少了通道內樹脂吸收的光能，使得總吸收能量遠低于固化所需的能量閾值，避免了過度固化導致的通道堵塞。通過這種方法，研究者打印了一系列10微米級微流控通道并展示了一系列微流控應用，如微流控閥，微粒篩選器等。

視頻鏈接：

三、【圖文導讀】

圖1.?傳統立體光固化與IsT-VPP工藝對比

圖?2.?IsT-VPP 3D打印工藝原理

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

四、【結論與展望】

比起其他高精度立體光固化技術，文章中展示的實驗樣機采用了低成本的405nm光源和普通的商用透明樹脂，無需添加特殊的吸光劑。如此一來，可供3D打印微流控器件的材料被極大拓展，材料人員可以專心開發新材料以滿足生物兼容性和彈性等需求，無需擔心可打印性。研究人員認為借助高分辨率的投影儀或激光，通過IsT-VPP工藝 3D打印的微流控器件精度可以媲美PDMS軟刻蝕且成本更低，這將推動新微流控器件的開發與應用。

五、【文獻信息】

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

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28579-z

本文由作者供稿。