基于側(cè)面數(shù)字光處理的3D打印技術(shù)快速制備微流控芯片

由于在生物、化學及醫(yī)學等領(lǐng)域有巨大潛力，微流控芯片技術(shù)廣泛應用于藥物篩選、新藥開發(fā)及癌癥研究等多個領(lǐng)域，其中微流控芯片的制備是科研人員關(guān)注的熱點。傳統(tǒng)制作微流控芯片的工藝流程比較復雜，制作周期較長，且一般需要凈化間及其他昂貴的設(shè)備。3D打印具有成本低廉、制作快速的優(yōu)勢，因此基于3D打印技術(shù)制作微流控芯片成為一種替代方案。目前3D打印技術(shù)主要用于制作模具，但打印得到的模具需要后續(xù)處理才能進行聚二甲基硅氧烷（PDMS）等結(jié)構(gòu)復制，因此延長了微流控芯片的制備周期，不利于快速設(shè)計結(jié)構(gòu)進行原型驗證。近年來，通過數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)制作一體化封閉管道和接口的研究備受關(guān)注，它通過合并微通道、閥門及出入口進行打印，是“一步"制作方法，且無需鍵合、翻模等工藝，因此成為科研人員關(guān)注的熱點。 

近期，上海交通大學研究人員基于DLP技術(shù)設(shè)計了一種側(cè)面打印方式，并通過該技術(shù)制備一體化封閉管道和接口的微流控芯片，初步驗證了側(cè)面曝光打印技術(shù)未來在微流控芯片及微納制造領(lǐng)域中的應用。相關(guān)研究成果以“基于側(cè)面DLP的3D打印技術(shù)制作微流控芯片"為題發(fā)表在期刊《微納電子技術(shù)》上。

研究人員首先設(shè)計和構(gòu)建了側(cè)面DLP 3D打印系統(tǒng)（圖1、2），投影光機使用30w、波長405nm的紫外LED作為光源，數(shù)字微鏡器件裝置是DLP光機的核心部件，該裝置含有上百萬個按序排列的微型鏡片，每個鏡片對應于成像圖片中的一個像素。利用計算機向投影儀輸入數(shù)字圖像或視頻后，光源與鏡片組配合使投影儀可清晰地投射出數(shù)字圖像。為實現(xiàn)三維物體打印，研究人員通過Y軸位移平臺控制打印平臺移動，設(shè)置Y軸單層厚度完成逐層打印。

圖1 側(cè)面DLP 3D打印技術(shù)的原理圖

圖2 側(cè)面DLP 3D打印系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)圖

接著，研究人員設(shè)計搭建了4F雙遠心光路系統(tǒng)實現(xiàn)投影系統(tǒng)成像，4F系統(tǒng)將小孔光闌放在光學系統(tǒng)的中間，使物面位于物鏡的前焦面，在4F系統(tǒng)的中間焦面即物鏡后焦面、筒鏡前焦面放置光闌，像面位于筒鏡后焦面。圖3為打印系統(tǒng)的光路示意圖，可調(diào)光闌放置于物鏡（焦距F1=100mm，雙膠合透鏡）和筒鏡（焦距F2=160mm，平凸透鏡）的共焦面位置，二維投影由DMD發(fā)出后通過4F系統(tǒng)成像至打印平臺。

圖3 側(cè)面DLP 3D打印系統(tǒng)的光路示意圖

而后，研究人員采用一步法制備了微流控芯片。具體地，研究人員設(shè)計了中空管道模型，并利用側(cè)面DLP曝光體系打印模型，圖4為利用側(cè)面曝光系統(tǒng)實現(xiàn)逐層打印中空管道的過程，將結(jié)構(gòu)內(nèi)部未被固化的樹脂沖洗之后即可得到中空管道。并設(shè)計了U型管和多支路管道模型用于一體化封閉管道的打印測試，圖5和圖6分別為單接口和雙接口兩種一體化封閉管道的模型及打印結(jié)果，設(shè)置單層厚度為100μm，單接口模型中曝光時間設(shè)置為8層基底層各曝光12s，52層普通層各曝光9s，整個模型打印時長27min。打印完成后對打印結(jié)構(gòu)進行后處理，并對管道灌入紅色和綠色染料測試打通率。其中單接口管道模型的管道直徑為1mm，打通率為100%。雙接口管道模型的管道直徑為0.5mm，打通率也為100%。

圖4 逐層打印中空管道流程圖

圖5 單接口管道模型及打印結(jié)果

圖6 雙接口管道模型及打印結(jié)果

最后，為測試多層互連管道的打印情況，研究人員設(shè)計了雙層U型互連管道，并進行打印測試，圖7（a）為雙層互連U型管的STL 模型圖，設(shè)計模型高度為5mm，圖7（b）為模型的部分切片圖，設(shè)置單層切片厚度為50μm，曝光時間設(shè)置為8層基底層各曝光9s，92層普通層各曝光4s，整個模型的打印時長為40min。打印完成后對打印結(jié)構(gòu)進行后處理，并對管道灌入黃色染料測試打通率，圖7（c）和（d）為打印的多層互連管道正面和側(cè)面圖，其中管道直徑為0.8mm，兩層U型管和連通管道均打通。 

圖7 多層互連管道打印結(jié)果 

綜上所述，該項研究基于數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)提出了一種新型的側(cè)面曝光打印技術(shù)，并利用4F光路以及運動系統(tǒng)完成平臺搭建。該3D打印系統(tǒng)的投影圖像分辨率為12.5μm，靶面約為16mm × 10mm。相比常用的上曝光或下曝光3D打印技術(shù)，其容易消除氣泡且裝置簡單。通過對封閉管道打印機制分析及實驗優(yōu)化，可實現(xiàn)直徑400μm的圓形或邊長400μm的方形等封閉管道打印。為驗證側(cè)面曝光打印平臺打印微流控芯片的可行性，設(shè)計具有一體化封閉管道和接口的模型進行打印測試，40min可以打印一個6mm厚的微流控芯片，管道打通率為100%。結(jié)果表明該平臺可用于快速制作微流控芯片，未來可用于微流控及微納制造領(lǐng)域。