CADworks3D：微流體領(lǐng)域創(chuàng)新，使用3D打印母模制造PDMS設(shè)備

近年來，用于微流體應用的 PDMS 設(shè)備的制造取得了重大進展。新的研究正在從光刻等傳統(tǒng)技術(shù)轉(zhuǎn)向軟光刻等更具成本效益的替代技術(shù)，探索3D打印的集成以及如何將其融入現(xiàn)有的設(shè)備制造工作流程是目前研究的重點。

加拿大 3D 打印機制造商和 3D 材料開發(fā)商CADworks3D是該領(lǐng)域的領(lǐng)導者。CADworks3D 將突破性的 3D 打印機技術(shù)與專用 3D 光聚合物材料相結(jié)合，為制造 PDMS 設(shè)備構(gòu)建了完整且高效的 3D 打印解決方案。這包括ProFluidics 285D DLP 打印機和內(nèi)部光聚合物樹脂，即PDMS設(shè)備樹脂主模具。


△CADworks3D 的ProFluidics 285D 3D 打印機和用于 PDMS 設(shè)備光聚合物樹脂的母模

從光刻到軟光刻的演變

微流體研究的早期階段將光刻視為在微流體設(shè)備上創(chuàng)建微結(jié)構(gòu)和圖案的首選技術(shù)，涉及使用光掩模、潔凈室設(shè)施和復雜的化學工藝，在硅晶片或載玻片等基材上創(chuàng)建精確的圖案。

雖然光刻提供了高分辨率圖案，但確實有明顯的局限性。創(chuàng)建單個設(shè)備需要許多步驟以及多種不同的工具和化學品，其中包括專用設(shè)備和潔凈室設(shè)施，這使得該技術(shù)昂貴并且小規(guī)模應用并不適用。此外，光刻法對于生產(chǎn)復雜的設(shè)計或三維結(jié)構(gòu)并不理想，它是一種單層工藝，創(chuàng)建多層結(jié)構(gòu)或 3D 微流體系統(tǒng)需要多輪光刻、對準和鍵合工藝，這些過程非常耗時且容易出現(xiàn)對準錯誤。

光刻法主要適用于處理硅和玻璃等半導體材料，對于與工藝中使用的刺激性化學品和高溫不相容的材料來說并不理想。市場上針對更易使用和通用的微流體設(shè)備的需求不斷增長，軟光刻已成為行業(yè)游戲規(guī)則的改變者。

用于創(chuàng)建 PDMS 器件的軟光刻

軟光刻技術(shù)是作為光刻技術(shù)的替代方案而開發(fā)的，解決了前身的許多限制，特別是在成本、易操作性和材料兼容性方面。它是指在微流體裝置制造中使用彈性體材料的一組技術(shù)，其中聚二甲基硅氧烷（PDMS）是最普遍的。有了它，研究人員現(xiàn)在可以更快、更高效地原型設(shè)計和制造微流體裝置。

軟光刻從創(chuàng)建主模具開始，通常使用光刻技術(shù)。該母模包含所需微流體特征（例如通道和腔室）的負模。然后將 PDMS 混合，倒入主模具上，并固化以創(chuàng)建主模具的復制品。該復制品從主模具上剝離，并通過氧等離子體處理或化學鍵合到基底上，創(chuàng)建密封的微流體裝置。最大的優(yōu)勢是能夠在短時間內(nèi)用一個母模生產(chǎn)多個微流控PDMS器件。

利用 3D 打印母模加速軟光刻工藝

將 3D 打印集成到軟光刻工作流程中代表著微流體器件制造的下一步發(fā)展。

光刻是最常見的母模制造技術(shù)。然而，正如所討論的，光刻過程昂貴、耗時，并且在及時構(gòu)建復雜設(shè)計和三維特征方面還有很多不足之處。3D 打印通過提供一種新的、高效的方法來創(chuàng)建主模具來解決這些挑戰(zhàn)。

3D 打印可以快速制作微流體裝置設(shè)計的原型。它使研究人員能夠在一個工作日內(nèi)通過 3D 打印新的主模具來快速迭代和修改他們的設(shè)計，從而減少與傳統(tǒng)模具制造相關(guān)的時間和成本。微流體設(shè)備變得高度可定制，研究人員可以輕松創(chuàng)建定制的微結(jié)構(gòu)并根據(jù)需要對其進行調(diào)整以滿足特定的應用要求。


△使用 3D 打印主模具的 PDMS 設(shè)備制造工作流程

適用于 PDMS 設(shè)備的 CADworks3D 解決方案

CADwork3D 開發(fā)了一種專為 PDMS 設(shè)備制造而定制的 3D 打印解決方案。研究人員能夠在短短幾個小時內(nèi) 3D 打印、清潔和固化主模具，并且在一個工作日內(nèi)就可以鑄造 PDMS 設(shè)備并準備好粘合到基材上。

ProFluidics 285D是 CADworks3D 的旗艦 DLP 3D 打印機。雖然市場上大多數(shù) 3D 打印機都是從其他行業(yè)改造而來，但 ProFluidics 285D 是專為微流體應用而設(shè)計的。它采用獨特的技術(shù)，稱為動態(tài)像素優(yōu)勢。這使得用戶能夠打印具有卓越 3D 打印功能的微流體設(shè)備，并且 3D 打印設(shè)備與原始 CAD 文件中顯示的預期設(shè)計非常相似。與其他 3D 打印平臺相比，ProFluidics 285D 具有更平滑的表面光潔度和正確解析的曲線，可產(chǎn)生復雜的三維微觀特征，例如蛇形通道、微孔和圓頂。



△在 ProFluidics 285D 上 3D 打印的一組 CADworks3D 主模具

當與 CADworks3D 的PDMS 設(shè)備樹脂母模結(jié)合使用時，用戶能夠構(gòu)建具有 50μm 開放通道和 0.18μm 表面粗糙度的母模。這種光聚合物的配方可減少制造微流體 PDMS 設(shè)備所需的步驟。成功的PDMS鑄造不需要脫模劑、涂層或其他預處理工藝。3D打印母模能夠承受正確固化 PDMS 所需的溫度。根據(jù)多倫多大學Kelley 實驗室提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如果保養(yǎng)得當，一個3D打印母模可用于制造超過 500 個 PDMS 設(shè)備。此外，3D打印母模不會吸收任何化學物質(zhì)，從而使鑄造的 PDMS 設(shè)備能夠保留其生物相容性。


△CADworks3D 樣品主模具的特寫。在ProFluidics 285D上 3D 打印

通過將軟光刻與 3D 打印相結(jié)合，研究人員可以獲得快速原型制作能力以及創(chuàng)建高度定制的復雜三維微流體設(shè)備的能力。這種集成為跨不同科學學科和行業(yè)的創(chuàng)新應用打開了大門，更接近于更容易獲得和定制的微流體解決方案，而成本僅為傳統(tǒng)方法的一小部分。