超高精度3D打印在微流控研究領域的應用

微流控(Microfluidics)，是一種精確控制和操控微尺度流體，又稱其為芯片實驗室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片技術，是把生物、化學、醫學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動完成分析全過程。由于在生物、化學、醫學等領域的巨大潛力，已經發展成為一個生物、化學、醫學、流體、電子、材料、機械等學科交叉的嶄新研究領域。由于微米級的結構，流體在微流控芯片中顯示和產生了與宏觀尺度不同的特殊性能，因此發展出獨特的分析產生的性能。同時還有著體積輕巧、使用樣品及試劑量少、能耗低，且反應速度快、可大量平行處理及可即用即棄等優點。

目前最普遍的微流控加工方式是基于SU-8光刻和PDMS翻模鍵合，首先采用SU-8光刻膠和常規光刻技術在硅基基底表面加工出具有微米精度、高深寬比的模具，然后將PDMS前體及其交聯劑混合溶液澆注在此模具表面。經過升溫固化處理、模具分離，制備出結構互補的彈性PDMS微流控結構芯片。該PDMS微流控結構芯片與玻璃基片經過一步可逆鍵合步驟，最終形成封裝的微流控芯片。

PDMS的優點有：透光度高、熒光低；惰性好、生物兼容；易加工、成本低；防水透氣、疏水；但是也有其缺點：

(1)PDMS是熱彈性聚合物材料，該類材料不適合于工業級注塑、封裝工藝。手工加工的PDMS微流控芯片可靠性差；

(2)PDMS微流控芯片批量加工成本高昂。

隨著3D打印技術的發展，采用3D打印制造微流控芯片越來越可行與方便。采用3D打印技術，可以顯著簡化微流控芯片的加工過程，在打印材料的選擇上也非常靈活。3D打印微流控芯片有5個趨勢，其一、從二維面芯片過渡到三維體芯片；其二、直接打印凝膠材質的微流控芯片；其三、針對微流控需要的3D打印工藝將會開發得到更多的重視；其四、基于打印工藝直接集成傳感器及制動器到微流控芯片中；其五、基于3D打印的微流控芯片模塊化組裝，構成便攜式POC系統。

之前由于一些3D打印技術存在精度不夠高，大部分在50~100μm精度，打印出來的通道不夠小，打印通道的橫截面粗糙，微通道透明度低等缺點，不適合用于微流體實驗。制造體積更小、使用試劑量更少的微流控芯片的關鍵是需要一種具有非常高的打印分辨率的高精度3D打印機。

摩方精密以其專有的PμSL面投影微立體光刻技術(Projection Micro Stereolithography) ，是可以提供2 μm超高精度光固化3D打印技術解決方案的科技型企業，同時也開發了10μm和25μm高精度精度3D打印系統，支持打印高精度樹脂、高強度樹脂、耐高溫樹脂、柔性樹脂、水凝膠、透明樹脂、生物醫療樹脂、韌性樹脂和復合材料樹脂。

PμSL超高精度3D打印微通道極限加工能力測試

圖片

PμSL超高精度3D打印微流控應用案例：巖心微流體

阿聯酋Khalifa University的T.J. Zhang教授和Hongxia Li博士，在知名期刊《Soft Matter》發表了一篇高質量文章“Imaging and Characterizing Fluid Invasion in Micro-3D Printed PorousDevices with VariableSurface Wettability” 。研究人員在實驗過程中使用微納 3D打印設備，該設備具有2μm分辨率，50mm*50mm的加工幅面，加工微流控器件。這臺設備來自深圳摩方材料公司，型號為nanoArch S130。基于微納3D打印的微流控器件，結合多相流成像技術，研究微尺度多孔介質中的多相流動。

多孔微流控器件制造的工作流程如圖（a）所示，第一步是對薄片圖像或微CT掃描圖像進行處理（紅色部分），然后從處理后的圖像中，選擇一個區域并將其嵌入微模型設計中（藍色部分），構建三維立體模型。第二步是使用切片軟件將三維模型切成一系列圖片，最后是通過2μm精度的微立體光固化3D打印機打印出微流控器件；（b）同一巖石模型在2μm和10μm兩種不同打印精度下打印出的表面形貌；（c）打印的巖石模型（打印精度2μm）與微CT掃描圖像（掃描精度8μm）的對比；

多孔介質中的流體滲透廣泛存在于許多應用中，例如油氣開采、二氧化碳封存，水處理等。流體滲透的動態過程會受到液體表面張力，多孔介質的表面潤濕性，空隙拓撲結構以及其他參數的影響。在這項工作中，研究人員使用2μm精度的微立體光固化3D打印機打印出具有相似復雜孔喉特征的微模型。該模型的內部空隙結構來自于天然多孔介質（例如巖石）的薄片圖像或微CT掃描圖像。將不同的流體注入表面改性后的微模型中，我們可以借助于模型的高透明性直接在光學顯微鏡下觀察和研究了在各種表面潤濕性條件下的動態流體滲透行為。此外，我們還結合光學成像和數值模擬，系統地分析了殘留液體分布，并揭示了四種不同類型的殘留機制。

這項工作提供了一種新穎的方法，通過結合微尺度3D打印和多相流成像技術來研究多孔介質中的微尺度下的多相流動。

PμSL超高精度3D打印微流控應用案例：微型尖銳結構在聲場激勵下實現聲流體芯片上非接觸、損傷細胞搬運及三維旋轉操作

北京航空航天大學機械工程及自動化學院的馮林教授課題組學生宋斌博士在國際期刊《Biomicrofluidics》發表了一篇高質量文章“On-chiprotational manipulation of microbeads and oocytes using acoustic microstreaminggenerated by oscillating asymmetrical microstructures”。研究人員在實驗過程中使用了深圳摩方材料科技有限公司高精度微尺度3D打印設備S140，該設備具有10um精度的分辨率，94*52*45mm大小的三維加工尺寸。基于該設備加工了尖銳側邊和尖銳底面微結構，通過PDMS二次倒模并與玻璃基底鍵合形成聲流體芯片。該聲流體芯片通過聲波激勵壓電換能器振動，從而帶動芯片內微結構振動在其周圍產生局部微聲流，最終實現卵細胞的三維旋轉。該研究在細胞三維觀測、細胞分析及細胞微手術方面有重大研究意義。

聲流體芯片制備工藝如上圖所示，先通過摩方精密10μm精度的微立體光固化3D打印機S140打印出微米級別的尖銳側邊和尖銳底面微結構(最小尖端20°)，再倒模出純PDMS模具，然后經表面處理之后二次倒模獲得的PDMS尖銳側邊和尖銳底面微結構。最后把PDMS二次倒模的結構與玻璃基底鍵合形成聲流體芯片。

本研究聲流體芯片制備工藝的實驗操作系統如上圖a所示，主要觀測系統和驅動系統兩部分組成。上圖b展示了聲流體芯片的概念圖，由受正弦信號激勵的壓電換能器振動，帶動尖銳側邊和尖銳底面微結構振動，從而在相應的微結構周圍產生微漩渦（如上圖c所示）。在由微漩渦產生的扭矩作用下，最終實現了細胞的三維旋轉。對應的微流道及微結構尺寸如上圖d-f所示。

細胞三維旋轉作為一項基本的細胞微手術技術，在單細胞分析等領域有著重大科學意義和工程意義。本文提出了一種基于聲波驅動微結構振動誘產生微聲流以實現細胞搬運及三維旋轉的簡單有效的方法。細胞旋轉的方向和轉速均可以通過施加不同頻率和電壓來實現。本研究以單細胞為操作對象，以微流控芯片為手段，以高通量全自動化多功能微操作為目標，為促進我國在微操作技術領域的發展以及生物醫學工程交叉學科的革新，進一步為加強我國微納制造水平提供系統性方法。

摩方精密PμSL光固化3D打印技術在超高精度、高效率加工方面有突出的優勢，同時這一3D打印技術已被工業界和學術界廣泛應用于復雜三維微流控芯片和微通道器件加工，在多個知名刊物發表成果。