3D打印液滴乳劑微流控芯片

來源：增材之光

在'利用Ninjaflex長絲3D打印一種能產(chǎn)生液滴乳劑的微流控芯片'的論文中，來自阿肯色大學的羅伯特·安德魯斯為他的論文項目和論文打印了一種新穎的微流體系統(tǒng)。使用NinjaFlex長絲，該過程以液滴乳劑和生物醫(yī)學（生物微機電系統(tǒng)）項目為中心。

液滴乳劑法
該項目的另一個主要元素是開發(fā)芯片實驗室，同時深入研究小型化（技術縮小到更小的環(huán)境中），具有以下優(yōu)點：
•減少必要的樣本量
•縮短實驗室流程的反應時間
•實驗室流程的移動性更強

在芯片實驗室方案中，規(guī)模大約為10-1000微米，但制造這種環(huán)境的許多常見工藝耗時且成本昂貴，這就是為什么3D打印是如此具有吸引力的小型化介質(zhì)的原因。安德魯斯指出需要合適的流體流動，這種流體流動發(fā)生在壓力梯度或柔性膜片上，并且必須沿微流體通道流動。

“根據(jù)隔膜的材料和厚度，需要不同的壓力和頻率才能達到一定的流速?！卑驳卖斔贡硎?，“作為旁注，這些隔膜既可用于改變微通道的寬度，或在壓力超過某一臨界值時用作止回閥（足以使隔膜的位移等于微流體通道的直徑）?！?br />

在他的論文項目中，安德魯斯在設計微芯片的同時，也在研究打印工藝的局限性。微流體液滴分離器將在一系列應用中發(fā)揮作用，包括血液監(jiān)測（用于凝塊）、食品安全化學檢測以及在藥物中發(fā)現(xiàn)新藥物。作者還指出，與更傳統(tǒng)的方法相比，使用NinjaFlex長絲創(chuàng)建一個系統(tǒng)是多么有益。

“NinjaFlex長絲而不是ABS中的3D打印對于生成微流體系統(tǒng)的特定應用具有一個固有的優(yōu)勢。NinjaFlex長絲的楊氏模量為12 MPa，而ABS的楊氏模量為2.05 GPa。這導致ABS的剛度大約是NinjaFlex的170倍?！卑驳卖斔箤懙馈?br />
“這種剛度降低有利于微流體系統(tǒng)的制造，因為這些系統(tǒng)可能需要執(zhí)行器來彎曲，以產(chǎn)生流體流動。在Ninjaflex中產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)所需的壓力要比在幾何相似的ABS樣品中產(chǎn)生相同的偏轉(zhuǎn)所需的壓力小得多?！?br />
通過“反復試驗”，安德魯斯能夠找到制造芯片的最佳打印參數(shù)。還有一些關于芯片設計的擔心，關于主要的堵塞缺陷，第一次打印有點粗糙，包括：
•打印質(zhì)量失真
•出口堵塞
•芯片太厚
•微通道或隔膜不可見

“就3D打印機本身而言，人們注意到在這種擠出機溫度下經(jīng)常發(fā)生堵塞?！弊髡弑硎?， “因此，溫度升高到250攝氏度。在擠出機溫度下，發(fā)生堵塞的頻率要低得多。關于下一次迭代中的設計更改，芯片頂部在零件文件中移除，使通道可以從上面看到。微芯片的頂部不是由Ninjaflex構成，而是由玻璃芯片覆蓋?！?br />
Angled Junction Version 3芯片是第一個用于液滴乳化的芯片，因為用綠色食品染料著色的水被過濾以確保通道沒有被堵塞。微通道變綠了，但安德魯斯指出長絲和玻璃之間的粘合不是很好。水從芯片中泄漏出來，最終從基板上分離出來。

微芯片首次打印的底視圖

在繼續(xù)精煉之后，安德魯斯能夠降低流量，同時油側(cè)壓力保持相同的水平。隨后，每隔一段時間就會產(chǎn)生“大小一致”的液滴。

左側(cè)油滴形成的油側(cè)壓力為2.5磅/平方英寸，水流速為25微升/分鐘。

“微芯片的最終設計有多種改進方法。首先，可以減小通道的直徑以減小液滴的尺寸。但是，通道不能太小以致于被阻塞。而且，隔膜可以在出口通道的任一側(cè)上實施。通過驅(qū)動這些隔膜，可以改變微通道尺寸，從而精確地控制液滴的尺寸。芯片可以做得更厚，以使管接頭有更多的表面可以抓住。”安德魯斯總結道。

“實驗的總體設計也可以改進。與使用氮氣罐作為壓力源相比，使用注射泵可以更好地產(chǎn)生油流量。由于泵送油不需要太大的壓力，而氮氣罐不夠精確，無法產(chǎn)生可靠且穩(wěn)定的油流量。”

未來的研究和工業(yè)創(chuàng)新形式多種多樣，但可能與我們許多人想象的不同；例如，從小型化到流動通道小型化到連續(xù)流動反應器，以及用于小型化和微流體的不同材料和工藝，小型化正變得越來越普遍。