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微(wei)納3D打(da)印(yin)：推(tui)動光敏樹(shu)脂回(hui)收(shou)利(li)用新(xin)突破(po)

更(geng)新(xin)時間(jian)：2025-12-05

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隨著3D打印(yin)技術(shu)在微(wei)流(liu)控芯(xin)片(pian)制造(zao)中(zhong)展現出(chu)快速(su)原型(xing)制造(zao)與(yu)復(fu)雜結(jie)構成型(xing)等(deng)優(you)勢(shi)，為(wei)生物醫學(xue)、化學(xue)分(fen)析(xi)等(deng)領域註(zhu)入(ru)了(le)新(xin)的(de)發(fa)展動力(li)。然而，光固化打(da)印(yin)工藝所引發(fa)的(de)高(gao)昂制造(zao)成(cheng)本與樹(shu)脂材(cai)料(liao)嚴(yan)重(zhong)浪(lang)費問(wen)題(ti)，也(ye)逐(zhu)漸成為(wei)制約(yue)該(gai)技術(shu)在科(ke)研(yan)與(yu)產業領域實(shi)現規模(mo)化應用與推(tui)廣(guang)的(de)關(guan)鍵(jian)瓶頸(jing)。數(shu)據顯(xian)示，單次打印(yin)任(ren)務完成(cheng)後(hou)，殘留(liu)樹(shu)脂的(de)比(bi)例(li)可(ke)高(gao)達約90%。這些(xie)殘留(liu)物(wu)內含有(you)的(de)甲基(ji)丙(bing)烯酸酯(zhi)類單(dan)體(ti)，不(bu)僅(jin)後(hou)續處(chu)理程(cheng)序復(fu)雜、處(chu)置(zhi)成本不(bu)菲(fei)，還可能潛(qian)藏環(huan)境(jing)風(feng)險等(deng)問(wen)題(ti)。

近(jin)日，來(lai)自(zi)意(yi)大利(li)卡塔尼(ni)亞(ya)大學(xue)的(de)研(yan)究團隊(dui)通(tong)過(guo)系統實(shi)驗(yan)證明，經過再生處(chu)理的(de)光固化樹(shu)脂可(ke)重(zhong)復(fu)使(shi)用三次(ci)以上(shang)，且(qie)制成(cheng)的(de)微(wei)流(liu)控器(qi)件光學(xue)性(xing)能幾乎無衰減(jian)。這壹(yi)突(tu)破(po)性(xing)發(fa)現為(wei)3D打(da)印(yin)行(xing)業實(shi)現可(ke)持續(xu)發(fa)展目(mu)標提供(gong)了關(guan)鍵(jian)技術(shu)支撐(cheng)。該研(yan)究以“Micro‑optofluidic Devices via Projection Micro‑Stereolithography: Impact of Resin Reuse on Optical Sensing Performance"為(wei)題(ti)，發(fa)表(biao)於(yu)國際期刊《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上(shang)。

研(yan)究團隊(dui)開發(fa)了壹(yi)套(tao)完整的(de)樹(shu)脂再生技術(shu)，包括(kuo)五(wu)個(ge)關鍵(jian)步驟：樹(shu)脂回(hui)收(shou)、初級過(guo)濾（100-200μm金(jin)屬(shu)網(wang)篩(shai)）、二(er)級(ji)過(guo)濾(lv)（0.45-1μm PTFE膜真(zhen)空過(guo)濾）、均(jun)勻混(hun)合(he)（3000rpm/5min）和(he)避光儲存。該流(liu)程(cheng)能有(you)效(xiao)去除(chu)殘留(liu)樹(shu)脂中(zhong)的(de)雜(za)質和部(bu)分(fen)固化顆(ke)粒(li)，確保再生樹(shu)脂的(de)化學(xue)穩(wen)定性(xing)。

圖(tu)1. 用於氣(qi)液段塞流(liu)檢測的(de)Micro‑optofluidic（MoF）設(she)備工作(zuo)原理。

實(shi)驗(yan)采用三種(zhong)樹(shu)脂批(pi)次(ci)：全(quan)新(xin)樹(shu)脂、壹(yi)次(ci)再生樹(shu)脂和(he)二(er)次(ci)再生樹(shu)脂，分(fen)別(bie)用於制造(zao)三(san)個(ge)相同(tong)的(de)T型(xing)接頭(tou)微(wei)流(liu)控器(qi)件。這些(xie)微(wei)流(liu)控器(qi)件專為(wei)吸(xi)收式光學(xue)檢測設計(ji)，研(yan)究團隊(dui)采用摩方精密(mi)面(mian)投(tou)影微(wei)立體(ti)光刻（PμSL）技術(shu)（nanoArch^®S140，精度(du)：10μm）壹(yi)體(ti)成(cheng)型(xing)打印(yin)而(er)成(cheng)，無需(xu)額(e)外(wai)組(zu)裝(zhuang)。

圖(tu)2. 通(tong)過(guo)PµSL技術(shu)制造(zao)的(de)3D打(da)印(yin)有(you)機(ji)框架(jia)（MoF）器(qi)件(jian)（分(fen)別(bie)標記為(wei) Dev-1、Dev-2 和(he) Dev-3）。

通(tong)過(guo)傅(fu)裏(li)葉(ye)變(bian)換紅外(wai)衰(shuai)減全(quan)反射(she)光譜（FTIR-ATR）分析(xi)，研(yan)究人(ren)員(yuan)發(fa)現再生樹(shu)脂的(de)化學(xue)結(jie)構僅發(fa)生微(wei)小變(bian)化。在1635cm⁻¹處(chu)（C=C伸(shen)縮(suo)振動）和(he)810cm⁻¹處(chu)（C-H面外(wai)彎(wan)曲振動）的(de)吸(xi)收峰(feng)強度略(lve)有(you)降低(di)，表(biao)明甲基(ji)丙(bing)烯酸酯(zhi)單(dan)體(ti)含量(liang)輕(qing)微(wei)減少(shao)。這種(zhong)變(bian)化主(zhu)要源於(yu)打(da)印(yin)過(guo)程(cheng)中的(de)暗(an)固化現象(xiang)和微(wei)量(liang)光散射導致的(de)預(yu)聚合(he)，樹(shu)脂的(de)整體(ti)化學(xue)結(jie)構仍然保持(chi)穩(wen)定。

圖(tu)3. 不(bu)同(tong)批次(ci)樹(shu)脂的(de)四(si)個(ge)不(bu)同(tong)象限Qki上(shang)沿(yan)1800-650 cm⁻¹範圍收(shou)集的(de)FTIR光譜比(bi)較(jiao)：新(xin)鮮光固化樹(shu)脂（Dev-1，藍色(se)曲線）；壹(yi)次回(hui)收(shou)樹(shu)脂（Dev-2，淺藍色(se)曲線）；二(er)次回(hui)收(shou)樹(shu)脂（Dev-3，黃色(se)曲線）。用1和2標識(shi)的(de)峰(feng)分別是1635 cm⁻¹和810 cm⁻¹。

光學(xue)性(xing)能是微(wei)流(liu)控器(qi)件的(de)核(he)心指標。研究團隊(dui)通(tong)過(guo)分(fen)光光度計(ji)測(ce)量(liang)器(qi)件在589nm波長（鈉D線）的(de)透(tou)光率，並利(li)用專用回歸(gui)模(mo)型(xing)計(ji)算折射(she)率。實(shi)驗(yan)在每個(個)器(qi)件的(de)四(si)個(ge)不(bu)同(tong)區域進(jin)行(xing)五(wu)次重(zhong)復(fu)測量(liang)，確(que)保數(shu)據可(ke)靠(kao)性(xing)。

圖(tu)4. 針(zhen)對(dui)每個(ge)考(kao)慮(lv)的(de)k-th微(wei)光流(liu)控器(qi)件（k=1,2,3），所研究象限Qki（i=1,…,4）的(de)空間(jian)布局。

結(jie)果(guo)顯示(shi)，三種(zhong)樹(shu)脂制成(cheng)的(de)器(qi)件折射(she)率分別(bie)為(wei)1.7044（全(quan)新(xin)樹(shu)脂）、1.7043（壹(yi)次(ci)再生）和1.7042（二次(ci)再生），差異(yi)僅0.012%。雙因素方差分(fen)析(xi)表(biao)明，樹(shu)脂重(zhong)復(fu)使(shi)用次數(shu)和測(ce)量(liang)區(qu)域對(dui)折射(she)率均(jun)無顯著(zhu)影響(xiang)（p值>0.05）。

圖(tu)5. 獲(huo)取(qu)3D打印(yin)樹(shu)脂估(gu)計(ji)折射(she)率值(Â)的(de)流(liu)程(cheng)圖(tu)。

圖(tu)6. 在四(si)個(ge)不(bu)同(tong)象限Qki上(shang)獲(huo)取(qu)的(de)透(tou)射(she)光譜比(bi)較(jiao)（n=1）：新(xin)鮮光固化樹(shu)脂（Dev-1，藍色(se)曲線）；壹(yi)次回(hui)收(shou)樹(shu)脂（Dev-2，淺藍色(se)曲線）；二(er)次回(hui)收(shou)樹(shu)脂（Dev-3，黃色(se)曲線）。

在功(gong)能驗證(zheng)階(jie)段，研究人(ren)員(yuan)搭(da)建了氣(qi)-水彈(dan)狀(zhuang)流(liu)檢測平臺(tai)，通(tong)過(guo)實(shi)驗(yan)設計(ji)（DoE）方法(fa)系統評(ping)估(gu)器(qi)件性(xing)能。實(shi)驗(yan)考(kao)察(cha)了(le)激(ji)光功(gong)率（1mW和5mW）、流(liu)速（0.1-0.3mL/min）和(he)樹(shu)脂類型(xing)三個(ge)因素(su)對(dui)光學(xue)檢測能力(li)的(de)影(ying)響。

結果(guo)表(biao)明，所有(you)器件(jian)均(jun)能清晰區(qu)分(fen)彈狀(zhuang)流(liu)中的(de)氣(qi)相和(he)液(ye)相，信號(hao)波形(xing)保持(chi)穩(wen)定的(de)方波特(te)征(zheng)。統計(ji)分(fen)析(xi)確(que)認，不(bu)同(tong)樹(shu)脂批(pi)次(ci)器(qi)件(jian)的(de)檢測性(xing)能無顯著(zhu)差異(yi)，證明再生樹(shu)脂達(da)到(dao)微(wei)流(liu)控器(qi)件的(de)功(gong)能需(xu)求。

圖(tu)7. 所研究響應量(liang)Â的(de)三(san)維效(xiao)應圖(tu)，柱(zhu)狀(zhuang)高度(du)代(dai)表(biao)各(ge)研究場景(jing)下響應量(liang)的(de)平(ping)均(jun)值，圓形(xing)標記表(biao)示(shi)單獨收集(ji)的(de)觀(guan)測值。

總結：這項(xiang)研(yan)究證明了光固化樹(shu)脂回(hui)收(shou)再利(li)用在微(wei)光流(liu)控器(qi)件制造(zao)中(zhong)的(de)可(ke)行(xing)性(xing)。通(tong)過(guo)嚴(yan)格(ge)的(de)實(shi)驗(yan)設計(ji)和(he)系統的(de)性(xing)能評估(gu)，研(yan)究人(ren)員(yuan)確(que)認即(ji)使(shi)經過兩(liang)次回(hui)收，樹(shu)脂的(de)光學(xue)性(xing)能仍保持(chi)穩(wen)定，器(qi)件的(de)光學(xue)檢測能力(li)不(bu)受(shou)影(ying)響。這壹(yi)成(cheng)果(guo)不(bu)僅(jin)為(wei)3D打(da)印(yin)行(xing)業提(ti)供(gong)了可(ke)持續發(fa)展的(de)解(jie)決(jue)方案(an)，也(ye)為(wei)微(wei)流(liu)控技術(shu)在生物醫學(xue)研(yan)究和臨(lin)床診斷(duan)中(zhong)的(de)廣(guang)泛(fan)應用鋪(pu)平了道(dao)路(lu)。在保證(zheng)性(xing)能的(de)前(qian)提下降低(di)成(cheng)本和環(huan)境(jing)影(ying)響的(de)創(chuang)新(xin)實(shi)踐(jian)，詮釋了(le)綠色(se)制造(zao)與(yu)精密(mi)工程(cheng)的(de)融合(he)之(zhi)道。