3D打印在微流控芯片加工中的運用

3D打印在微流控芯片加工中的運用

微流控(Microfluidics)一詞發生在20世際90時代初,指的是在μm限度上實際操作和操縱液體的技術。通過二十多年的發展趨勢,微流控技術從起初的單一作用的氣體操縱元器件發展趨勢到如今的多用途集成化,運用十分普遍的微流控芯片技術,在有機化學,醫藥學確診,體細胞挑選,遺傳基因剖析,藥品輸運等行業獲得了廣泛運用。對比於傳統式方式,微流控技術具備體型小,檢驗速度更快,實驗試劑使用量小,低成本,多用途集成化,擴散系數高特性。

現階段,用以制做微流控芯片的微加工技術大多數承繼自半導體材料工業生產,其加工全過程工藝流程多種多樣,且取決於價錢昂貴的技術設備。在微流控芯片的制造中較常用的加工方式包含:矽/高聚物表層微加工(SurfaceMicromachining),軟印(Soft-lithography),壓印(Embossing),注入成形(Injectionmodelling),激光器燒損(Laserablation)等。這種加工全過程都必須在潔淨間內進行,工藝流程繁雜,需占有很多室內空間,且必須遠見卓識的制定和加工工作人員。

近些年,伴隨著3D打印技術的盛行,愈來愈多的學者試著選用3D打印技術立即打印制做微流控芯片,或是打印出可以應用PDMS fabrication倒膜的微流控芯片的模貝。選用3D打印技術,可以明顯簡單化微流控芯片的加工全過程,在打印原材料的選用上也更加靈活,除開各種各樣高聚物原材料外,還能夠立即打印生物技術。一般狀況下,微流控芯片3D打印全過程只需在設計方案進行後立即打印微流控芯片就可以,對比於其他微加工技術,巨大地減少了微流控芯片的技術門坎和加工成本費,對微流控芯片技術的應用推廣擁有十分充分的實際意義。近些年,3D打印微流控芯片技術在生物醫學工程檢驗行業的運用發展趨勢快速,發生了許多用以體細胞剖析檢驗,藥品輸運,微生物感測器等方面的3D打印微流控芯片。

文中將重點講解近些年幾類發展趨勢迅速和比較常用的3D打印微流控芯片技術,包含微立體光刻技術,熔化堆積成形技術及其到噴墨打印機打印技術,對這幾類技術在有機化學,生物醫學工程檢驗等方面的使用實現了具體描述,並對3D打印微流控芯片技術在未來的發展趨勢開展了未來展望。

3D打印微流控芯片技術介紹

微立體光刻技術在微流控芯片加工中的運用

微流控芯片的加工技術大多數源自於半導體設備技術。殊不知,可用以微流控芯片加工的微立體光刻技術(μSL)則是源於於工業產品設計方向的立體光刻技術(Stereolithography,SLA)。微立體光刻技術是利用操縱曝出燈源,對光敏樹脂開展逐級曝出幹固,逐層累加而產生的三維立體構造。盡管微立體光刻技術並沒有確實"打印"出須要的構造,可是其根據對液態光敏樹脂的可選擇性逐級幹固來完成微元器件的加工全過程十分類似3D打印,因此文中也將微立體光刻技術歸入可使用3D打印微流控芯片的技術之一。

立體光刻技術從問世到現在己經有三十餘年的曆史時間。初期的立體光刻技術,因為精密度的限定,不適感用以微加工行業。近些年,伴隨著技術的發展,立體光刻技術被慢慢運用於微加工行業,普遍的台式一體機微立體光刻機器設備己經可以做到200μm的精密度。新近發生的根據雙光量子彙聚效用(Two-photonpolymerization,2pp)的微立體光刻技術,可以將要求提升10μm。

因為生產制造方式方便快捷和有著較高的精密度,愈來愈多的學者逐漸將微立體光刻技術運用於微流控芯片的加工中。與此同時,可用以微立體光刻的燈源也不但僅限於紫外線源(UV),許多學者逐漸試著應用LED,激光器等做為幹固光敏樹脂的燈源。隨著著曝出燈源的多元化,可用以微立體光刻的光敏樹脂也不會再限於紫外線敏感性的環氧樹脂膠類和丙烯酸樹脂類高聚物原材料,近些年,學者逐漸試著應用聚富馬酸二羥丙酯(PPF),富馬酸二乙酯(DEF),Aeeura60等新式高聚物原材料。

圖上各自展示了根據傳統式的微加工方式和微立體光刻法加工微流控芯片的全過程。普遍的根據高聚物原材料的微流控芯片的加工全過程如圖所示a所顯示,第一步是制做模貝,運用光刻技術等方式對旋塗在玻璃鏡片或是單晶矽片上的光刻技術開展加工,常見的光刻技術如SU-8等。第二步是運用第一步做成的模貝倒膜,普遍的用以微流控芯片的倒膜原材料有PDMS等。針對具備雙層構造的微流控芯片而言,每一層構造的加工都必須反複上邊提及的二步。第三步必須引線鍵合此外一層原材料熱對流道開展封閉式。對根據PDMS原材料的微流控芯片,鍵合前還必須對PDMS表層應用等離子或紫外線開展外表改性材料,接著引線鍵合一層夾層玻璃底材封閉式微流道。最終還需要加工做過流道進出口的打孔,一般是運用專用型的手動打孔機或是激光器進行。