上海(hai)交大(da)：基於(yu)側(ce)面(mian)數(shu)字光處(chu)理的(de)3D打印(yin)技術(shu)快速制備(bei)微流控芯片(pian)

由(you)於(yu)在(zai)生(sheng)物、化學(xue)及醫(yi)學(xue)等領域有(you)巨大(da)潛(qian)力，微(wei)流控芯片(pian)技術(shu)廣泛(fan)應用(yong)於(yu)藥(yao)物篩選(xuan)、新(xin)藥(yao)開發(fa)及癌癥研(yan)究等(deng)多個(ge)領域，其中微(wei)流控芯片(pian)的(de)制備(bei)是科研(yan)人員關(guan)註的(de)熱(re)點(dian)。傳統(tong)制(zhi)作微流控芯片(pian)的(de)工藝(yi)流程(cheng)比較復(fu)雜，制(zhi)作周期(qi)較(jiao)長(chang)，且壹(yi)般需要凈化間及其(qi)他昂(ang)貴的(de)設備(bei)。3D打印(yin)具有(you)成(cheng)本(ben)低廉、制(zhi)作快速的(de)優勢，因(yin)此基於(yu)3D打(da)印(yin)技術(shu)制作微流控芯片(pian)成為(wei)壹(yi)種(zhong)替(ti)代方(fang)案。目(mu)前3D打印(yin)技術(shu)主(zhu)要用(yong)於(yu)制(zhi)作模(mo)具，但打(da)印(yin)得到(dao)的(de)模(mo)具需要後續處(chu)理才(cai)能(neng)進行(xing)聚二(er)甲基矽氧(yang)烷(wan)（PDMS）等結(jie)構(gou)復(fu)制，因(yin)此延長(chang)了(le)微(wei)流控芯片(pian)的(de)制備(bei)周期(qi)，不(bu)利於(yu)快(kuai)速設計結(jie)構(gou)進行(xing)原(yuan)型(xing)驗(yan)證(zheng)。近年(nian)來(lai)，通過數(shu)字光處(chu)理（DLP）技術(shu)制作壹(yi)體化封閉管(guan)道(dao)和(he)接(jie)口(kou)的(de)研(yan)究備(bei)受(shou)關(guan)註，它(ta)通過合(he)並(bing)微通(tong)道(dao)、閥(fa)門(men)及出(chu)入口進行(xing)打印(yin)，是“壹(yi)步(bu)"制作方法(fa)，且無需鍵合(he)、翻模(mo)等工藝(yi)，因(yin)此成為(wei)科研(yan)人員關(guan)註的(de)熱(re)點(dian)。 

近期(qi)，上海(hai)交通大(da)學(xue)研(yan)究人員基於(yu)DLP技術(shu)設計了(le)壹(yi)種(zhong)側面(mian)打(da)印(yin)方式，並(bing)通過該技術(shu)制備(bei)壹(yi)體化封閉管(guan)道(dao)和(he)接(jie)口(kou)的(de)微流控芯片(pian)，初步(bu)驗(yan)證(zheng)了(le)側(ce)面(mian)曝(pu)光打印(yin)技術(shu)未來(lai)在微(wei)流控芯片(pian)及微(wei)納制(zhi)造(zao)領域中的(de)應用(yong)。相關(guan)研(yan)究成(cheng)果以(yi)“基於(yu)側(ce)面(mian)DLP的(de)3D打印(yin)技術(shu)制作微流控芯片(pian)"為題(ti)發(fa)表在(zai)期(qi)刊(kan)《微(wei)納電(dian)子(zi)技術(shu)》上。

研(yan)究人員首先設計和構(gou)建(jian)了(le)側(ce)面(mian)DLP 3D打(da)印(yin)系統（圖(tu)1、2），投(tou)影光機使用(yong)30w、波(bo)長(chang)405nm的(de)紫外LED作為光源，數字微鏡(jing)器(qi)件裝(zhuang)置是(shi)DLP光機的(de)核心部(bu)件(jian)，該裝置含有(you)上百萬(wan)個(ge)按(an)序排(pai)列的(de)微型(xing)鏡(jing)片，每(mei)個鏡(jing)片對(dui)應於(yu)成(cheng)像(xiang)圖(tu)片(pian)中的(de)壹(yi)個(ge)像(xiang)素(su)。利用(yong)計算機向投(tou)影儀輸入數字圖(tu)像(xiang)或(huo)視(shi)頻(pin)後(hou)，光源與(yu)鏡(jing)片組(zu)配合(he)使投(tou)影儀可清(qing)晰(xi)地(di)投(tou)射出(chu)數字圖(tu)像(xiang)。為(wei)實現(xian)三(san)維(wei)物體打印(yin)，研(yan)究人員通過Y軸位移平(ping)臺控制打(da)印(yin)平(ping)臺移動(dong)，設置Y軸單層(ceng)厚(hou)度(du)完(wan)成(cheng)逐層(ceng)打印(yin)。

圖(tu)1 側(ce)面(mian)DLP 3D打(da)印(yin)技術(shu)的(de)原(yuan)理(li)圖(tu)

圖(tu)2 側(ce)面(mian)DLP 3D打(da)印(yin)系統的(de)機械結(jie)構(gou)圖(tu)

接(jie)著，研(yan)究人員設計搭建(jian)了(le)4F雙遠(yuan)心光路(lu)系(xi)統實(shi)現(xian)投(tou)影系(xi)統成像(xiang)，4F系(xi)統將小孔(kong)光闌放在光學(xue)系統(tong)的(de)中間(jian)，使物面(mian)位(wei)於(yu)物鏡(jing)的(de)前焦面(mian)，在(zai)4F系(xi)統(tong)的(de)中間(jian)焦面(mian)即物鏡(jing)後焦面(mian)、筒(tong)鏡(jing)前焦面(mian)放置光闌，像(xiang)面(mian)位(wei)於(yu)筒(tong)鏡(jing)後焦面(mian)。圖(tu)3為(wei)打印(yin)系統的(de)光路(lu)示(shi)意圖(tu)，可調(tiao)光闌放置於(yu)物鏡(jing)（焦距(ju)F1=100mm，雙膠合(he)透(tou)鏡(jing)）和筒(tong)鏡(jing)（焦距(ju)F2=160mm，平(ping)凸透(tou)鏡(jing)）的(de)共焦面(mian)位(wei)置，二(er)維(wei)投(tou)影由(you)DMD發(fa)出後(hou)通過4F系(xi)統(tong)成(cheng)像(xiang)至(zhi)打(da)印(yin)平(ping)臺。

圖(tu)3 側(ce)面(mian)DLP 3D打(da)印(yin)系統的(de)光路(lu)示(shi)意圖(tu)

而(er)後(hou)，研(yan)究人員采(cai)用(yong)壹(yi)步(bu)法(fa)制備(bei)了(le)微(wei)流控芯片(pian)。具體地(di)，研(yan)究人員設計了(le)中(zhong)空(kong)管(guan)道(dao)模(mo)型，並(bing)利用(yong)側面(mian)DLP曝(pu)光體系打印(yin)模(mo)型，圖(tu)4為(wei)利用(yong)側面(mian)曝(pu)光系統實現(xian)逐層(ceng)打印(yin)中空管(guan)道(dao)的(de)過程(cheng)，將結(jie)構(gou)內(nei)部(bu)未(wei)被(bei)固(gu)化的(de)樹脂(zhi)沖(chong)洗(xi)之(zhi)後(hou)即可得到(dao)中(zhong)空(kong)管(guan)道(dao)。並(bing)設計了(le)U型(xing)管(guan)和多支(zhi)路(lu)管(guan)道(dao)模(mo)型用於(yu)壹(yi)體化封閉管(guan)道(dao)的(de)打印(yin)測(ce)試(shi)，圖(tu)5和(he)圖(tu)6分(fen)別為單接口(kou)和雙接(jie)口(kou)兩種(zhong)壹(yi)體化封閉管(guan)道(dao)的(de)模(mo)型及打(da)印(yin)結(jie)果(guo)，設置單(dan)層(ceng)厚(hou)度(du)為(wei)100μm，單(dan)接(jie)口模(mo)型中曝(pu)光時間設置為(wei)8層(ceng)基底層(ceng)各曝(pu)光12s，52層(ceng)普通層(ceng)各曝(pu)光9s，整個(ge)模(mo)型打印(yin)時長(chang)27min。打(da)印(yin)完成後(hou)對打(da)印(yin)結(jie)構(gou)進行(xing)後處(chu)理，並(bing)對管(guan)道(dao)灌(guan)入紅色和綠(lv)色(se)染(ran)料測(ce)試(shi)打通率。其(qi)中(zhong)單接口管(guan)道(dao)模(mo)型的(de)管(guan)道(dao)直(zhi)徑(jing)為(wei)1mm，打(da)通率為100%。雙接(jie)口(kou)管(guan)道(dao)模(mo)型的(de)管(guan)道(dao)直(zhi)徑(jing)為(wei)0.5mm，打(da)通率也為(wei)100%。

圖(tu)4 逐層(ceng)打印(yin)中空管(guan)道(dao)流程(cheng)圖(tu)

圖(tu)5 單(dan)接口管(guan)道(dao)模(mo)型及打(da)印(yin)結(jie)果(guo)

圖(tu)6 雙接(jie)口(kou)管(guan)道(dao)模(mo)型及打(da)印(yin)結(jie)果(guo)

最後(hou)，為測(ce)試(shi)多層(ceng)互連(lian)管(guan)道(dao)的(de)打印(yin)情況，研(yan)究人員設計了(le)雙層(ceng)U型互(hu)連管(guan)道(dao)，並(bing)進行(xing)打印(yin)測(ce)試(shi)，圖(tu)7（a）為(wei)雙層(ceng)互連(lian)U型管(guan)的(de)STL 模(mo)型圖(tu)，設(she)計模(mo)型高度(du)為(wei)5mm，圖(tu)7（b）為(wei)模(mo)型的(de)部(bu)分(fen)切(qie)片(pian)圖(tu)，設(she)置單(dan)層(ceng)切片(pian)厚(hou)度(du)為(wei)50μm，曝(pu)光時間設置為(wei)8層(ceng)基底層(ceng)各曝(pu)光9s，92層(ceng)普通層(ceng)各曝(pu)光4s，整個(ge)模(mo)型的(de)打印(yin)時長(chang)為(wei)40min。打(da)印(yin)完成後(hou)對打(da)印(yin)結(jie)構(gou)進行(xing)後處(chu)理，並(bing)對管(guan)道(dao)灌(guan)入黃色染料(liao)測(ce)試(shi)打通率，圖(tu)7（c）和(he)（d）為打印(yin)的(de)多層(ceng)互連(lian)管(guan)道(dao)正(zheng)面(mian)和(he)側(ce)面(mian)圖(tu)，其(qi)中管(guan)道(dao)直(zhi)徑(jing)為(wei)0.8mm，兩(liang)層(ceng)U型管(guan)和連(lian)通管(guan)道(dao)均(jun)打(da)通。 

圖(tu)7 多層(ceng)互連(lian)管(guan)道(dao)打(da)印(yin)結(jie)果(guo) 

綜上所述(shu)，該項研(yan)究基於(yu)數(shu)字光處(chu)理（DLP）技術(shu)提出(chu)了(le)壹(yi)種(zhong)新(xin)型的(de)側面(mian)曝(pu)光打印(yin)技術(shu)，並(bing)利用(yong)4F光路(lu)以(yi)及運(yun)動(dong)系統(tong)完(wan)成(cheng)平(ping)臺搭建。該3D打印(yin)系統的(de)投(tou)影圖(tu)像(xiang)分(fen)辨(bian)率(lv)為(wei)12.5μm，靶面(mian)約(yue)為(wei)16mm × 10mm。相比(bi)常(chang)用的(de)上曝光或(huo)下(xia)曝(pu)光3D打印(yin)技術(shu)，其容(rong)易消(xiao)除氣泡且裝(zhuang)置簡單(dan)。通(tong)過對(dui)封(feng)閉(bi)管(guan)道(dao)打(da)印(yin)機制分(fen)析(xi)及實(shi)驗(yan)優化，可實現(xian)直(zhi)徑400μm的(de)圓形(xing)或(huo)邊(bian)長(chang)400μm的(de)方形(xing)等(deng)封(feng)閉管(guan)道(dao)打(da)印(yin)。為驗(yan)證(zheng)側面(mian)曝(pu)光打印(yin)平(ping)臺打印(yin)微流控芯片(pian)的(de)可行(xing)性(xing)，設(she)計具有(you)壹(yi)體化封閉管(guan)道(dao)和(he)接(jie)口(kou)的(de)模(mo)型進行(xing)打印(yin)測(ce)試(shi)，40min可以(yi)打(da)印(yin)壹(yi)個(ge)6mm厚(hou)的(de)微流控芯片(pian)，管(guan)道(dao)打(da)通(tong)率(lv)為(wei)100%。結(jie)果(guo)表明(ming)該平(ping)臺可用於(yu)快(kuai)速制作微流控芯片(pian)，未來(lai)可用於(yu)微(wei)流控及微(wei)納制(zhi)造(zao)領域。