基于原位轉(zhuǎn)移光固化技術(shù)制造透明微流體器件

來源： EFL生物3D打印與生物制造

立體光固化3D打印技術(shù)（VPP）在制造微流體器件方面具有諸多優(yōu)勢，但VPP打印透明樹脂時，光穿透深度很大易造成過度固化，從而導致流道堵塞，難以在Z軸方向上實現(xiàn)對微米級(小于100 μm)通道的良好控制。近期，來自University of Southern California的Yong Chen團隊提出了一種3D打印技術(shù)-原位轉(zhuǎn)移光固化技術(shù)（IsT-VPP），可以精確制作Z軸方向上高分辨率（10μm以內(nèi)）和精度（±1μm）的微流控通道，同時打破了光穿透深度對打印通道高度的限制。相關(guān)論文“In-situ transfer vat photopolymerization for transparent microfluidic device fabrication”發(fā)表在Nature Communications雜志上。

研究人員首先探究了樹脂的光學性質(zhì)以及光劑量分布對制備微流體器件的影響，通過能量控制以及比爾-朗伯特定律計算光劑量也無法精確控制通道頂層厚度，為此研究人員使用輔助平臺固化通道頂層，減少了通道內(nèi)吸收的總光劑量，并制造了一個USC形狀的流體路由器，證明了此方法可制備高精度、無組裝、結(jié)構(gòu)復雜的3D微流控設(shè)備（圖1）。

圖1 樹脂光學性質(zhì)和光劑量分布對制備微流控通道的影響

接著，研究人員創(chuàng)建了原位轉(zhuǎn)移光固化裝置（IsT-VPPA）用于實現(xiàn)微流控設(shè)備的制造并說明了打印過程（圖2），其中IsT-VPPA與傳統(tǒng)的光固化技術(shù)區(qū)別在于擁有一個被PDMS涂覆的輔助平臺，用于打印流道頂層。

圖2 IsT-VPP打印過程的原理

隨后，研究人員為了驗證IsT-VPP可實現(xiàn)精確微流控通道高度控制，打印了包含寬75µm，高為10、20、30、40、50和60µm的嵌入式通道，發(fā)現(xiàn)通道均準確，表面光潔度良好（圖3a、b）。為進一步驗證提出的方法制造多層微通道的可行性，打印了一個具有24個通道（高度：10µm-60µm）的模型，SEM結(jié)果和統(tǒng)計結(jié)果表明通道平均誤差<1.5µm，表明了制造方法的可靠性（圖3c、d、e）。

圖3 IsT-VPP制備高精度微流控通道

其次，研究人員還利用IsT-VPP打印出間隙大小可調(diào)節(jié)且透明的震動式微流控閥以及可取代機器人移液器或手動移液器的自動試樣平臺，表明了IsT-VPP使微流控芯片中的微流控自動化組件在設(shè)計靈活性、材料選擇和功能擴展方面受益（圖4）。

圖4 3D打印微流控閥和自動化試樣平臺

最后，研究人員為證明IsT-VPP的實用性，設(shè)計并建造了一個堰式微濾器系統(tǒng)，通過精確的通道間隙控制實現(xiàn)了高純度微粒分選（圖5）。

圖5 3D打印微粒分選裝置

綜上所述，該文章提出了一種基于光固化技術(shù)的3D打印方法，可以精確制作高Z分辨率（10μm以內(nèi)）和精度（±1μm）的微流控通道，集成了輔助平臺用于打印通道頂層，降低了通道中液體樹脂的能量滲透，打破了光穿透深度對最小可打印通道高度的限制。所打印的流體路由器、微閥和微粒分選芯片證明了IsT -VPP是一種簡單、通用的3D打印微流控通道制造方法，通道高度可精確控制。在不久的將來，IsT-VPP打印微流控設(shè)備的性能和功能將得到進一步增強和擴展。

文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28579-z