摩方助力北理工新研究！具有高三維能力和高結(jié)構(gòu)精度的定制微針的制造

在先進制造技術(shù)領(lǐng)域，三維（3D）微結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)已經(jīng)成為至關(guān)重要的探索方向之一，為設(shè)計和制造具有特別功能的微器件提供了巨大潛力。三維微結(jié)構(gòu)主要分為兩部分：(i)不同形狀的三維主體結(jié)構(gòu)，（ii）主體結(jié)構(gòu)上的各種腔體結(jié)構(gòu)（包括孔、槽、通道等）。盡管3D打印技術(shù)對于復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模個性化定制，然而在腔體結(jié)構(gòu)的精密制造方面，其打印腔體的精度仍存在一定的局限性。如果直接采用3D打印技術(shù)制備高精度通道結(jié)構(gòu)，樹脂的殘留會導(dǎo)致腔體結(jié)構(gòu)的堵塞，所以僅使用3D打印技術(shù)難以達到通道制造所需的高精度要求。因此，迫切需要新的加工方法彌補3D打印技術(shù)的不足。解決這一制造缺陷，對于提高微器件的制造精度至關(guān)重要。

為此，北京理工大學(xué)姜瀾院士、韓偉娜研究員團隊提出了一種新型制造高精度三維微結(jié)構(gòu)的加工方法（圖1）。該團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PµSL）3D打印技術(shù)和飛秒激光貝塞爾光束制孔相結(jié)合的方法創(chuàng)建了具有高度定制、精確結(jié)構(gòu)（包括尺寸精度和深徑比）和高效加工的三維結(jié)構(gòu)。并將該技術(shù)成功應(yīng)用于定制微針的生產(chǎn)，包括斜尖微針和多孔微針，證明了該技術(shù)具有廣泛、高效的微孔加工能力，峰值制孔速度可達每秒20萬個孔。這項技術(shù)不僅為制造具有微細腔體結(jié)構(gòu)的三維器件提供了創(chuàng)新方法，而且具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。

該研究成果以題為“Fabrication of customized microneedle with high 3D capability and high structural precision" 在加工制造領(lǐng)域的學(xué)術(shù)期刊《Additive Manufacturing》上發(fā)表。北京理工大學(xué)激光微納制造研究所碩士生陳朝倫和課題組助理實驗師王智為共同第一作者，韓偉娜研究員為通訊作者。

圖1.面投影微立體光刻與飛秒激光貝塞爾光束制孔相結(jié)合的新型制造方法原理圖

研究團隊選用摩方精密BIO（生物兼容性）樹脂作為打印材料，并使用microArch® S230（精度：2μm）3D打印設(shè)備進行實驗。他們研究了3D打印樣品的光學(xué)透明度對飛秒激光貝塞爾光束制孔能力的影響，并探究了不同切片方向?qū)︼w秒激光貝塞爾制孔成孔能力的影響。實驗結(jié)果表明，橫向切片可以實現(xiàn)穩(wěn)定的微孔，并且通過加工排孔后沿孔裂片的方式，證明了該加工方法能夠在三維打印實體中產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的高深徑比微孔結(jié)構(gòu)。

圖2.模型切片方向?qū)Υ蛴嶓w光學(xué)透明度的影響

圖3.飛秒激光貝塞爾光束在兩種切片方向下加工微孔的結(jié)果

由于錐透鏡的制造誤差導(dǎo)致了貝塞爾光束的畸變，因此在利用貝塞爾光束軸向的上半段加工微孔時，會產(chǎn)生旁瓣現(xiàn)象（圖4）。雖然使用貝塞爾光束的軸向下半段加工可以避免被加工微孔中出現(xiàn)旁瓣，然而，此舉將會導(dǎo)致貝塞爾光束能量的大量損失，并對加工微孔的深度造成了限制。采用單脈沖處理的無側(cè)葉微孔長度被限制在550 μm以內(nèi)，顯然未能充分利用貝塞爾光束的潛力。為此研究團隊采用雙脈沖貝塞爾光束技術(shù)，通過瞬態(tài)調(diào)控局部電子狀態(tài)來消除旁瓣（圖5）。當?shù)谝粋€脈沖照射材料時產(chǎn)生了大量的自由電子，這些自由電子改變了材料的瞬時局部特性，如反射率和透射率，從而抑制了材料對第二次脈沖能量的吸收，導(dǎo)致深度下降。旁瓣相對于主瓣的影響區(qū)域相對較短，導(dǎo)致旁瓣隨著加工深度的減小而逐漸衰減。利用該方法加工而成的無旁瓣微孔長度均高于單脈沖條件下無旁瓣微孔的最大加工深度，且均超過800 μm，已接近當前激光條件下的加工深度極限。

圖4.飛秒激光貝塞爾光束成孔旁瓣現(xiàn)象

圖5.雙脈沖優(yōu)化貝塞爾光束成孔

微針因其體積小巧、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在其表面上進行微孔加工時，相較于大面積的平面樣品的加工工程，兩者存在顯著差異。首先，微針的打印層厚度的差異將直接導(dǎo)致所形成的微孔尺寸出現(xiàn)相應(yīng)的變化。（圖6）。由于不同層厚微針的固化程度的不同，導(dǎo)致不同層厚的微針材料模量不同，使得在相同的激光條件下，較厚打印層的微針能夠形成更大直徑的空腔。但打印層更厚的微針由于在打印過程中更易變形，影響了微針的透光性，進而減小了微孔的深度。其次，微針邊長不同及同一微針上的不同位置加工出的微孔深度也有所不同（圖7）。這是由于在打印過程中不同位置的收縮率差異會導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這些內(nèi)應(yīng)力主要集中在打印部件的邊緣，并隨著離邊緣距離的增加而減小。由于微針尺寸小，邊緣和中心之間的距離很短，整個柱受到內(nèi)應(yīng)力的影響很大，從而限制了微孔深度，尤其是邊緣附近的微孔深度更小。隨著微針針尖直徑的減小，加工位置與邊緣之間的距離減小，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增大，進一步降低了微孔深度，甚至可能無法形成微孔。為克服這一難題，研究團隊提出了兩段式制孔技術(shù)（圖8）。該方法被證明適用于各種異形微針上的微孔加工。

圖6.打印層厚對貝塞爾光束成孔的影響

圖7.不同微針邊長及微針上不同加工位置的貝塞爾光束成孔

圖8.異形微針上微孔的兩階段制孔技術(shù)

鑒于單個微針體積小，其載藥和提取能力自然受限。因此，為充分發(fā)揮微針功效，通常以微針陣列的形式使用，以實現(xiàn)效率maximum。研究團隊利用圖像識別技術(shù)對每個微針進行精確定位，確保貝塞爾光束能夠精確地對準每個微針的頂端中心，從而形成均勻且形狀規(guī)則的微孔。在確保微孔加工質(zhì)量的同時，貝塞爾光束的單脈沖穿孔機制還提供了高效的加工速度，實現(xiàn)了每秒高達20萬個孔的峰值制孔速度。

圖9.空心微針陣列的制備及大幅面微孔加工能力展示

綜上所述，利用PμSL技術(shù)和飛秒激光貝塞爾光束相結(jié)合的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在微針上高深徑比微孔的制備。該方法證明了實現(xiàn)直徑約1μm的微孔的可行性，并且具有較高的制孔效率，尤其對于提取細胞外囊泡和小分子藥物遞送等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。這項技術(shù)有望通過其多功能性來創(chuàng)建具有內(nèi)部微通道的復(fù)雜三維器件，從而增強疾病的診斷和治療。

*已獲團隊授權(quán)