基(ji)於(yu)側(ce)面(mian)數(shu)字光處理(li)的(de)3D打印技術快(kuai)速制備微流控芯(xin)片(pian)

由於(yu)在生物、化學(xue)及醫學(xue)等(deng)領(ling)域(yu)有巨大(da)潛(qian)力，微流控芯(xin)片(pian)技術廣泛應(ying)用(yong)於(yu)藥(yao)物篩(shai)選(xuan)、新藥(yao)開發(fa)及癌(ai)癥研(yan)究等(deng)多個(ge)領(ling)域(yu)，其中微流控芯(xin)片(pian)的制備是(shi)科研(yan)人員(yuan)關(guan)註(zhu)的(de)熱點(dian)。傳統(tong)制作微流控芯(xin)片(pian)的工(gong)藝(yi)流程比較(jiao)復雜，制作周(zhou)期(qi)較(jiao)長，且(qie)壹般(ban)需要凈化間(jian)及其他(ta)昂(ang)貴(gui)的設備。3D打印具(ju)有成本低廉(lian)、制作快(kuai)速的(de)優(you)勢(shi)，因此(ci)基(ji)於(yu)3D打印技術制作微流控芯(xin)片(pian)成為(wei)壹種(zhong)替代(dai)方(fang)案(an)。目前3D打印技術主要(yao)用(yong)於(yu)制作模(mo)具，但(dan)打印得(de)到(dao)的模(mo)具需要後續處理(li)才(cai)能(neng)進行聚二甲(jia)基(ji)矽氧(yang)烷(wan)（PDMS）等(deng)結(jie)構復制，因此(ci)延長了(le)微流控芯(xin)片(pian)的制備周期(qi)，不(bu)利於(yu)快(kuai)速設計(ji)結(jie)構進(jin)行原(yuan)型(xing)驗(yan)證。近(jin)年(nian)來(lai)，通過(guo)數(shu)字光處理(li)（DLP）技術制作壹體(ti)化封(feng)閉管(guan)道和(he)接口的(de)研(yan)究備受關(guan)註(zhu)，它通過合並微通(tong)道、閥門(men)及出(chu)入(ru)口進(jin)行(xing)打印，是(shi)“壹步"制作方(fang)法(fa)，且(qie)無(wu)需鍵合、翻模等(deng)工(gong)藝(yi)，因(yin)此(ci)成(cheng)為科研(yan)人員(yuan)關(guan)註(zhu)的(de)熱點(dian)。 

近(jin)期(qi)，上海交(jiao)通大(da)學研(yan)究人員(yuan)基(ji)於(yu)DLP技術設計(ji)了壹種(zhong)側(ce)面(mian)打印方(fang)式(shi)，並通過(guo)該技術制備壹體(ti)化封(feng)閉管(guan)道和(he)接口的(de)微流控芯(xin)片(pian)，初步驗(yan)證了(le)側(ce)面(mian)曝(pu)光打印技術未來(lai)在微流控芯(xin)片(pian)及微納(na)制造領(ling)域(yu)中的應(ying)用(yong)。相(xiang)關研(yan)究成果以(yi)“基(ji)於(yu)側(ce)面(mian)DLP的(de)3D打印技術制作微流控芯(xin)片(pian)"為題發表(biao)在期(qi)刊《微納(na)電子(zi)技術》上。

研(yan)究人員(yuan)首(shou)先(xian)設計(ji)和(he)構建(jian)了(le)側(ce)面(mian)DLP 3D打印系統（圖1、2），投(tou)影(ying)光機使用(yong)30w、波長405nm的(de)紫外LED作為光源(yuan)，數(shu)字微鏡(jing)器件(jian)裝(zhuang)置(zhi)是(shi)DLP光機的核(he)心部(bu)件(jian)，該裝(zhuang)置(zhi)含(han)有上百萬個(ge)按序(xu)排(pai)列(lie)的微型(xing)鏡(jing)片(pian)，每(mei)個(ge)鏡(jing)片(pian)對應(ying)於(yu)成像(xiang)圖片(pian)中的壹個(ge)像(xiang)素。利用計(ji)算(suan)機向投(tou)影(ying)儀(yi)輸(shu)入數字圖像(xiang)或視(shi)頻後，光源(yuan)與鏡(jing)片(pian)組配(pei)合使(shi)投(tou)影(ying)儀(yi)可(ke)清晰(xi)地投(tou)射(she)出(chu)數(shu)字圖像(xiang)。為實(shi)現(xian)三(san)維物(wu)體(ti)打印，研(yan)究人員(yuan)通(tong)過(guo)Y軸(zhou)位(wei)移(yi)平臺(tai)控制打印平(ping)臺(tai)移(yi)動(dong)，設置(zhi)Y軸(zhou)單層厚(hou)度(du)完(wan)成(cheng)逐層(ceng)打印。

圖1 側(ce)面(mian)DLP 3D打印技術的原理(li)圖

圖2 側(ce)面(mian)DLP 3D打印系統的機械結(jie)構圖

接著(zhe)，研(yan)究人員(yuan)設計(ji)搭建(jian)了(le)4F雙遠(yuan)心(xin)光路系統實(shi)現(xian)投(tou)影(ying)系統成像(xiang)，4F系統將(jiang)小(xiao)孔(kong)光闌(lan)放在光學(xue)系統的中間(jian)，使物(wu)面位(wei)於(yu)物鏡(jing)的(de)前焦(jiao)面(mian)，在4F系統的中間(jian)焦(jiao)面(mian)即物(wu)鏡(jing)後(hou)焦(jiao)面(mian)、筒(tong)鏡(jing)前焦(jiao)面(mian)放置光闌(lan)，像(xiang)面位(wei)於(yu)筒(tong)鏡(jing)後(hou)焦(jiao)面(mian)。圖3為(wei)打印系統的光路示(shi)意(yi)圖，可(ke)調光闌(lan)放置於(yu)物鏡(jing)（焦(jiao)距(ju)F1=100mm，雙膠合透(tou)鏡(jing)）和(he)筒(tong)鏡(jing)（焦(jiao)距(ju)F2=160mm，平凸(tu)透(tou)鏡(jing)）的(de)共(gong)焦(jiao)面(mian)位(wei)置(zhi)，二維(wei)投(tou)影(ying)由DMD發出後(hou)通(tong)過4F系統成像(xiang)至打印平(ping)臺(tai)。

圖3 側(ce)面(mian)DLP 3D打印系統的光路示(shi)意(yi)圖

而後，研(yan)究人員(yuan)采(cai)用壹步法(fa)制備了微流控芯(xin)片(pian)。具體(ti)地，研(yan)究人員(yuan)設計(ji)了中空管(guan)道模型(xing)，並利用(yong)側(ce)面(mian)DLP曝(pu)光體(ti)系打印模(mo)型(xing)，圖4為(wei)利(li)用(yong)側(ce)面(mian)曝(pu)光系統實(shi)現(xian)逐層(ceng)打印中空管(guan)道的過程，將(jiang)結(jie)構內(nei)部未(wei)被固(gu)化的(de)樹(shu)脂(zhi)沖(chong)洗之(zhi)後即可(ke)得到(dao)中空管(guan)道。並設計(ji)了U型(xing)管和(he)多支(zhi)路管(guan)道模型(xing)用於(yu)壹體(ti)化封(feng)閉管(guan)道的打印測試，圖5和(he)圖6分(fen)別為(wei)單接口和(he)雙接口兩種(zhong)壹體(ti)化封(feng)閉管(guan)道的模型(xing)及打印結(jie)果，設置(zhi)單層厚(hou)度(du)為(wei)100μm，單接口模(mo)型(xing)中曝光時(shi)間(jian)設置(zhi)為8層(ceng)基(ji)底層(ceng)各曝光12s，52層(ceng)普通(tong)層各曝(pu)光9s，整(zheng)個(ge)模型(xing)打印時(shi)長27min。打印完(wan)成(cheng)後對(dui)打印結(jie)構進(jin)行後(hou)處理(li)，並對管(guan)道灌入紅色(se)和(he)綠色(se)染(ran)料測試打通(tong)率。其中單接口管(guan)道模型(xing)的管(guan)道直(zhi)徑為1mm，打通(tong)率為(wei)100%。雙(shuang)接口管(guan)道模型(xing)的管(guan)道直(zhi)徑為0.5mm，打通(tong)率也(ye)為(wei)100%。

圖4 逐層(ceng)打印中空管(guan)道流程圖

圖5 單接口管(guan)道模型(xing)及打印結(jie)果

圖6 雙(shuang)接口管(guan)道模型(xing)及打印結(jie)果

最後，為(wei)測試多層(ceng)互(hu)連(lian)管道的打印情(qing)況(kuang)，研(yan)究人員(yuan)設計(ji)了雙層U型(xing)互(hu)連(lian)管道，並進行(xing)打印測試，圖7（a）為(wei)雙(shuang)層(ceng)互(hu)連(lian)U型(xing)管的(de)STL 模型(xing)圖，設計(ji)模型(xing)高度為(wei)5mm，圖7（b）為(wei)模(mo)型(xing)的部(bu)分(fen)切(qie)片(pian)圖，設置(zhi)單層切(qie)片(pian)厚度(du)為50μm，曝(pu)光時(shi)間(jian)設置(zhi)為8層(ceng)基(ji)底層(ceng)各曝光9s，92層(ceng)普通(tong)層各曝(pu)光4s，整(zheng)個(ge)模型(xing)的打印時(shi)長為(wei)40min。打印完(wan)成(cheng)後對(dui)打印結(jie)構進(jin)行後(hou)處理(li)，並對管(guan)道灌入黃(huang)色(se)染(ran)料測試打通(tong)率，圖7（c）和(he)（d）為打印的(de)多層(ceng)互(hu)連(lian)管道正面和(he)側(ce)面(mian)圖，其中管道直(zhi)徑為0.8mm，兩層(ceng)U型(xing)管和(he)連通管(guan)道均打通(tong)。 

圖7 多層(ceng)互(hu)連(lian)管道打印結(jie)果 

綜(zong)上所述，該項研(yan)究基(ji)於(yu)數字光處理(li)（DLP）技術提出(chu)了(le)壹種(zhong)新型(xing)的側(ce)面(mian)曝(pu)光打印技術，並利用(yong)4F光路以(yi)及運動(dong)系統完(wan)成(cheng)平臺(tai)搭建(jian)。該3D打印系統的投(tou)影(ying)圖像(xiang)分(fen)辨率為12.5μm，靶(ba)面約為16mm × 10mm。相比常用(yong)的(de)上曝光或(huo)下(xia)曝光3D打印技術，其容(rong)易(yi)消除(chu)氣(qi)泡且(qie)裝(zhuang)置(zhi)簡(jian)單。通過(guo)對(dui)封(feng)閉管(guan)道打印機制分(fen)析及實(shi)驗(yan)優(you)化，可(ke)實(shi)現(xian)直(zhi)徑400μm的圓(yuan)形(xing)或邊(bian)長400μm的(de)方(fang)形(xing)等(deng)封(feng)閉管(guan)道打印。為(wei)驗(yan)證側(ce)面(mian)曝(pu)光打印平(ping)臺(tai)打印微流控芯(xin)片(pian)的可(ke)行性(xing)，設計(ji)具有壹體(ti)化封(feng)閉管(guan)道和(he)接口的(de)模(mo)型(xing)進行(xing)打印測試，40min可(ke)以(yi)打印壹個(ge)6mm厚的(de)微流控芯(xin)片(pian)，管道打通(tong)率為(wei)100%。結(jie)果表(biao)明(ming)該平臺(tai)可用(yong)於(yu)快(kuai)速制作微流控芯(xin)片(pian)，未來(lai)可用(yong)於(yu)微流控及微納(na)制造領(ling)域(yu)。