微流體(ti) 是指流體(ti) 的行為(wei) 、精確控製和操縱，這些流體(ti) 在幾何上被限製在小尺度（通常為(wei) 亞(ya) 毫米），在該尺度上，表麵力主導體(ti) 積力。它是一個(ge) 多學科領域，涉及工程、物理、化學、生物化學、納米技術和生物技術。它在處理少量流體(ti) 以實現多路複用、自動化和高通量篩選的係統設計中具有實際應用。微流控設備已廣泛應用在化學合成、生物醫藥、環境監測等多個(ge) 領域。

3D打印作為(wei) 製造微流控芯片的一種有前途的方法引起了微流控器件製造界的關(guan) 注。許多研究表明，3D打印技術在製造複雜性結構，規避複雜的模具製造流程和勞動密集型生產(chan) 流程方麵，比傳(chuan) 統的PDMS 材料微成型更具有優(you) 勢。

目前，各種3D打印技術在製造微流控芯片器件時仍存在不同程度的挑戰以及優(you) 化提升的空間。近日，南加州大學Yong Chen教授和其團隊成員Yang Xu博士，及Noah Malmstadt教授在3D打印微流體(ti) 器件方麵取得重要進展，並在自然-通訊上發表了題為(wei) “In-situ transfer vat photopolymerization for transparentmicrofluidic device fabrication”的學術論文。

研究團隊提出了一種立體(ti) 光固化新工藝，顯著提升3D打印微流體(ti) 分辨率與(yu) 精度。本期穀.專(zhuan) 欄將對這一研究成果的核心內(nei) 容進行分享。

論文主要提出了一種原位轉移立體(ti) 光固化3D打印工藝，可以高效可靠地打印出通道高度僅(jin) 為(wei) 10微米，精度±1微米的微流體(ti) 器件，並有潛力進一步提升微流道高度的分辨率。

論文其他參與(yu) 者包括普渡大學教授Huachao Mao，南加州大學碩士生Fangjie Qi, Songwei Li等。https://doi.org/10.1038/s41467-022-28579-z

研究背景

新藥研發的高昂成本已經成為(wei) 一項全球挑戰，導致醫療服務價(jia) 格上漲，研發周期變長。統計顯示，每種新藥物平均研發成本已超過10億(yi) 美元。其中很大一部分花費來自專(zhuan) 業(ye) 設備，工具，試劑以及大量單調重複的試驗工作。

南加州大學

微流體(ti) 芯片(MicrofluidicChips)是一種精確控製和操控微尺度流體(ti) 的芯片技術，通常整體(ti) 透明內(nei) 涵一係列微米尺度通道與(yu) 反應室，已經成為(wei) 藥物研發的重要工具。因其需要試樣和試劑極少，液體(ti) 流動可控以及高度自動化等特點，在降低成本與(yu) 縮短周期方麵起到了極大作用。

當前多數的微流體(ti) 芯片由PDMS軟刻蝕（SoftLithography）完成，該工藝需要在無塵室裏利用光刻工藝製作倒模以及密集型的手工流程。立體(ti) 光固化(VatPhotopolymerization)作為(wei) 一種很有前景的微流體(ti) 製造技術，可以輕鬆製造出更加複雜的3D幾何形狀實現更強大的功能，以及在普通環境中一步式加工，便於(yu) 微流體(ti) 技術研究，推廣與(yu) 共享。然而，當前立體(ti) 光固化3D打印的微流體(ti) 器件在打印方向上難以實現微米級精度（小於(yu) 100微米）。造成這一問題的根本原因是打印方向即Z方向上的過度固化（over-curingissue）。在打印通道頂層（channel-roof layer）及之後的層時總是難以避免地固化通道內(nei) 的樹脂導致通道堵塞。

新工藝、新思路

光固化3D打印機+輔助打印平台

新工藝的核心思路是在傳(chuan) 統的立體(ti) 光固化打印機上增加一個(ge) 輔助打印平台作為(wei) 約束平麵，將至關(guan) 重要的通道頂層通過兩(liang) 次曝光分開打印，並原位轉印到微流體(ti) 器件上。通過這種方式極大減少了通道內(nei) 樹脂吸收的光能，使得總吸收能量遠低於(yu) 固化所需的能量閾值，避免了過度固化導致的通道堵塞。

圖1.傳(chuan) 統立體(ti) 光固化與(yu) IsT-VPP工藝對比

圖 2.IsT-VPP 3D打印工藝原理

研究成果

通過這種方法，研究者打印了一係列10微米級微流體(ti) 通道並展示了一係列微流道應用如微流體(ti) 閥，微粒篩選器等。

圖3. 3D打印微流控通道

圖 4. 3D打印微流控閥

圖5. 3D打印微粒篩選器

研究人員認為(wei) 借助於(yu) 高分辨率的投影儀(yi) 或激光，通過IsT-VPP工藝3D打印的微流體(ti) 器件精度可以媲美PDMS軟刻蝕，這將極大促進微流體(ti) 器件的新設計與(yu) 功能拓展。

此外，比起其他高精度立體(ti) 光固化技術，南加州大學團隊的論文中展示的實驗樣機采用了低成本的405nm光源，普通的商用透明光固化樹脂可直接使用無需添加特殊的吸光劑。這意味著可用於(yu) 3D打印微流體(ti) 器件的材料會(hui) 被極大拓展，材料研究人員可以專(zhuan) 心於(yu) 調配新材料以滿足其他需求例如生物兼容性和彈性，而不用擔心可打印性。