一种基于3D打印的高精度微流控芯片制备方法和应用技术

本发明专利技术属于3D打印、微流控芯片领域，是一种基于3D打印的高精度微流控芯片制备方法和应用。微流控芯片的微通道按基底层、微通道结构层、结构封顶层、通道封顶层、常规封顶层不同区块打印，通过得墨水Ha和Dc，通过得通道封顶层厚度，通过得到满足Ω

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的高精度微流控芯片制备方法和应用


[0001]本专利技术属于3D打印、微流控芯片领域，具体涉及一种基于3D打印的高精度微流控芯片制备方法和应用。

技术介绍

[0002]微流控芯片，又称芯片实验室，是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力。目前微流控芯片的制造方法主要集中于层压、模塑和3D打印等。层压制造是指在每层中切割所需的微流控形貌，然后将多层平板材料粘合在一起以形成微流控芯片。对于层状微流控器件，每一层都是单独切割的。切割技术使用的材料通常为聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等聚合物，通常使用刀片式绘图仪或激光切割机进行切割。刀片式绘图仪切割比激光切割器更容易设置，但分辨率较低(＞500μm)；激光切割机具有更好的分辨率(＜25μm)，并且在材料和厚度的选择上更加灵活。然而，刀片式绘图仪在材料和厚度选择上受到更多限制，可能需要更长的设置时间来确定最佳参数；激光加工过程中需要真空抽气系统，而且可能会留下阻塞芯片通道的灼伤残留物。模塑成型是指借助模具使材料成型的过程，具体可以将其分为三类：复制成型、注射成型和热压印。复制成型的核心是使用光刻技术制造硅和光刻胶模具，在这些模具上浇注和固化聚二甲基硅氧烷(PDMS)等液态聚合物，固化的聚合物从模具表面剥离，再将其与玻璃滑块粘合，形成封闭的通道。该技术可制造≥10μm的微流控通道。但其可能会造成模具的图案变形或者从模具中取出铸件时产生缺陷。注射成型是指在一定温度下，将完全熔融的材料用高压射入模腔，经冷却固化后，得到成型品的方法。模具和微流控通道的分辨率取决于制作模具镶件的方法。金属模具的微铣削精度可低至25μm，而电子束光刻则可能达到亚微米级的分辨率。然而，微注射成型在材料选择方面具有很大的局限性，通常只能选用热塑性材料进行加工。热压印技术是一种利用模具、压力和加热将热塑性材料精确成型的工艺。在此过程中，在两个模具镶件之间放置一层热塑性薄膜；然后将模具腔抽空、压缩和加热，从而形成模具铸件；最后冷却模具，取出铸件。微流控芯片中常用的热塑性材料包括PC、PMMA、环烯烃共聚物和聚对苯二甲酸乙二酯。目前热压印技术的研究重点是在热塑性材料中生成尺寸＜50μm的微流控通道。与模塑成型类似，热压印技术只能选用热塑性材料进行加工。虽然层压和模塑成型已得到广泛的应用，但这些工艺需要购买昂贵的设备，制备过程复杂，成本较高，且难以制造具有复杂三维结构的微流控通道。在芯片制造过程中材料因切割/热膨胀/收缩/倒模而易发生变形和扭曲，造成芯片微结构失准。以上缺陷都制约着微流控芯片技术的发展，使它们难以高效、精确地制造出微流控芯片，更无法充分利用三维空间，在制造高通量芯片上具有很大的局限性。因此，开发新的微流控芯片制造方法，克服现有技术面临的工序复杂、周期长、可迭代性差等问题，需要开发一种全新的制造方法。
[0003]近年来3D打印技术的高速发展为微流控芯片制造技术的革新提供了新工具。虽然可以通过不同的工艺制造出高精度(<100μm)的微流控芯片，但是芯片属性却截然不同：传
统工艺通过制造模具可实现批量化制造单一结构的芯片，但无法实现芯片的差异化，研究人员最关注的往往是稳定性和可重复性，适用于工艺、材料、生物医学应用等各方面技术都成熟的场景，因此芯片不需要频繁地迭代，生命周期很长。而3D打印则基于数字光处理(DLP)技术、具有生物相容特性的墨水材料、定制化的打印工艺和灵活的三维空间设计，可简便、高效、迭代地制造出具有复杂三维结构的高精度(<50μm)微流控芯片，由于芯片个性化设计制造的需求是发展趋势，在研发、制造和临床应用的技术路线上，芯片生命周期较短，需要反复迭代优化，形成技术闭环，才能适应众多生命医学领域的科学挑战，此外，由于其尺寸小，还具有在一次打印中快速(30分钟)并行制造多个芯片的优势，一旦研发成功具有特点功能的芯片(如器官芯片)则可迅速建立芯片矩阵，极大地增强微流控芯片的应用前景。
[0004]现有技术方案是以数字光处理(DLP)技术为基础，借助具有光引发交联特性的树脂作为打印墨水，通过面投影的方式逐层打印，实现微流控芯片流道的空间图案化制造。
[0005]方案一：基于比尔定律，Gong等(H.Gong,M.Beauchamp,S.Perry,A.T.Woolley,G.P.Nordin.RSC Adv 2015,5,106621
‑
106632.；H.Gong,B.P.Bickham,A.T.Woolley,G.P.Nordin.Lab on a Chip 2017,17,2899
‑
2909.)提出了一种表征树脂光学穿透深度的数学模型，通过计算每一层树脂所接收的光照剂量，从而打印高精度(20μm)微流控芯片。
[0006]方案二：基于Gong等提出的数学模型，Peter等(P.van der Linden,A.M.Popov,D.Pontoni.Lab Chip 2020,20,4128
‑
4140.)在基于DLP原理的3D打印机中添加了一个滤光片以匹配打印机紫外光源的光谱和墨水中吸收剂的吸收光谱，从而实现波长选择，可以更精度的控制每一层树脂所接收的剂量。
[0007]然而上述两种方案存在以下一些缺陷：
[0008](1)力学稳定性不好：为了保证微流控通道是流通的，通道内残留的墨水材料接收到的光照剂量需小于临界剂量，因此在微流控通道的封顶层附近，较低的光照剂量使得不同层之间的粘附力较低，无法保证整体芯片结构的力学稳定性，在使用高压冲洗通道时，会造成结构分层，不同通道的溶液出现渗漏、混合现象。
[0009](2)无法控制光照剂量：在Gong等提出的模型中，可通过光照强度、光照时间、打印层厚这三个参数来控制打印层接收的光照剂量，但在实际打印中由于受力学稳定性的制约，只运用了光照时间和打印层厚两个参数来控制打印层接收的光学剂量，无法更好地调控通道内墨水材料的接收的光照临界剂量。
[0010](3)芯片通道表面粗糙度难以控制：由于控制光照剂量的参数单一，使得在微流控通道的封顶层下表面的粗糙度难以保证，无法满足对表面光滑度较高要求的实验需求。
[0011](4)模型对商业墨水的适用性
[0012]Gong等提出的数学模型需要与打印墨水高度匹配，这意味着需要研究数十种不同的材料才能成功开发出能够匹配打印工艺的墨水，只适用于具备开发墨水材料的单位使用。当不具备材料学背景的单位使用商业树脂打印时，无法使用其模型匹配相应参数，因此不具有普适性。

技术实现思路

[0013]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种剂量可控的，分区固化打印微流控芯片
的方法，可以适用于多种性能优异的商业树脂，同时提高打印芯片的精度和机械强度。
[0014]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0015]一种分区固化打印微流控芯片的方法，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分区固化打印微流控芯片的方法，其特征在于，所述微流控芯片的微通道按不同区块分步打印；所述不同区块由下至上依次分为基底层、微通道结构层、过渡封顶层、常规封顶层，所述过渡封顶层分为结构封顶层和通道封顶层，通道封顶层在待形成微通道的正上方；所述基底层、微通道结构层、常规封顶层的打印参数按照所用打印机及墨水的常规打印参数设置；打印所述通道封顶层时，先通过计算，确定打印机的曝光强度、曝光时间和所要打印层数和每层厚度，计算包括以下步骤：S1.光固化树脂的光学特性参数测定：测量不同梯度光照强度I和不同曝光时间t*下光固化树脂材料的聚合深度L，通过公式(1)，得到树脂对应的特征高度h
a
和特征剂量D
c
数值；S2.确定通道封顶层厚度Z
F
＝z
t
‑
z
c
：z
c
为常规打印参数所设定的打印层厚；z
t
通过公式(2)计算得到，设定Ω＜0.01，将常规打印参数的曝光强度I、曝光时间t*、步骤S1中得到的ha和D
c
代入公式(2)中，计算得z
t
，从而得到通道封顶层厚度Z
F
；S3.将通道封顶层分为N层，计算每一层厚度Z
n
，其中n＝1，Z1代表通道封顶层第一层层厚，n＝N，Z
N
代表通道封顶层第N层层厚：令z＝0，Ω＞1，代入公式(2)，得到t*I的值；在所用打印机精度水平下设定尽可能小的曝光时间t*，确定t*后，由t*I的值得到光照强度I，根据打印机设备的光照强度控制精度以及控制范围，选取实际使用的光照强度；将t*I和ha、D
c
代入公式(3)和公式(4)，获得能够满足Ω
tol
≈1、Ω
′
tol
＞1的Z1。。。Z
N
及N；Ω
t...

【专利技术属性】
技术研发人员：王华楠，罗志明，张昊岳，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：