“原位转移光固化”提升3D打印微流控通道的精度
2022-04-22 21:12:49 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
目前的商业3D打印工艺仅可在100µm精度水平上创建微流控通道，且对精度的控制很差。研究人员通过使用原位转移光固化技术，能够加工高度为10μm且精度高（在2μm水平内）微流控通道，而无需使用降低透明度或制造速度的液体树脂。
据麦姆斯咨询报道，近日，美国南加州大学（University of Southern California，USC）的研究人员开发了一种被称为原位转移光固化（IsT-VPP）的3D打印技术，该技术可提供以前所未有的规模在芯片上实现3D打印微流控通道所需的精度。
原位转移光固化的3D打印工艺原理
利用在芯片上加工的微通道组成的紧凑型测试工具——微流控器件，可以降低药物开发成本，并有助于医疗诊断。微流控器件的传统制造方法是在洁净室环境中进行软光刻，需要多个劳动密集型工艺。
虽然3D打印为生物医学器件制造提供了许多优势，但现有技术还不够精密，无法完全满足微流控所需的微结构精度要求。
研究人员通过使用原位转移光固化技术，能够加工高度为10μm且精度高（在2μm水平内）微流控通道，而无需使用降低透明度或制造速度的液体树脂。而立体光固化（VPP）技术使用液体光敏聚合树脂构建需要逐层打印的部分，然后利用紫外线（UV）照射该部分，从而使每一层的树脂固化并硬化。构建平台再将打印部分向上或向下移动，以在其上构建其它的层级。
通过原位转移光固化技术制造微流控通道
虽然立体光固化技术可一次加工到位，但它对微流控器件的微米级通道的控制不足。紫外光光源照射到树脂残液中，会固化微流控通道壁内的残余材料。
“当照射紫外光时，只想保持理想情况下的只固化一层通道壁，而使通道内残留的液态树脂的性状保持不变。但其实很难控制固化的深度，因为我们的固化目标和非固化目标只有10μm的距离。”陈勇教授说。
虽然不透明树脂比透明树脂的透光少，但它不适合构建将在显微镜下检查内容物的微流控器件。
树脂光学特性和光剂量分布对基于立体光固化技术的微流控通道制造的影响
为了在透明树脂中创建微流控器件所需的微尺寸通道，该团队开发了一个辅助平台，可以在光源和打印设备之间移动，阻止光线在通道壁上固化液体。
当打印通道顶部（即器件中封闭通道的顶层部分）时，辅助平台用于防止光线穿透到通道内残留的液态树脂上。然后通道顶部原位转移到已构建部分。所有其它层均采用标准立体光固化工艺打印。任何残留在通道中的树脂都保持液态，在打印过程结束后可以被冲洗出来，以形成通道空间。
据陈勇教授介绍，目前的商业3D打印工艺仅可在100µm精度水平上创建微流控通道，且对精度的控制很差。
“这是我们首次能够打印通道高度为10µm的器件。”他说，“我们可以非常精确地控制它，误差保持在±1 µm。这是以前从未实现过的事情，所以这是3D打印微通道的一个突破。”
基于南加州大学的立体光固化技术，与常用的405nm光源和商业光固化树脂兼容。研究人员通过制造多功能器件，包括3D蛇形微流控通道、微流控阀和粒子分选器件等，验证了这项技术。
用于自动化的3D打印微流控阀和样本平台
3D打印的粒子分选器件
陈勇教授表示，新型3D打印平台及其微尺寸通道，可以为癌症检测和研究带来显著的益处。
“肿瘤细胞比正常细胞略大，正常细胞直径约20µm，而肿瘤细胞可超100µm。”他说，“目前，我们使用活组织来检查癌细胞，从患者身上切下部分器官或组织，以检查并区分健康细胞和肿瘤细胞。然而，我们可以使用简单的微流控器件，使样品通过具有精确打印高度的通道，从而将不同大小的细胞分类，这样那些健康的细胞就不会干扰我们的检测。”
用于微流控器件制造的原位转移光固化技术可以促进立体光固化在3D打印器件中的应用，尤其用于需要高精度、小间隙的器件。
“微流控通道有很广泛的应用。”陈勇教授说，“我们可以让血液样本流过通道，将其与其它化学物质混合，这样我们就可以检测我们是否患有COVID-19或测量我们的高血糖水平。”
该研究团队正在申请这项3D打印方法的专利，并正在寻求合作伙伴，以实现医疗测试器件制造技术的商业化。
该研究成果以《In-situ transfer vat photopolymerization for transparent microfluidic device fabrication》为题发表在《自然-通讯》（Nature Communications）期刊上。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28579-z
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