3D打印微流控芯片及其在化學(xué)、生物中的應(yīng)用進(jìn)展
微流控芯片(MicrofluidicChip)是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上。由于它在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域，又稱為微全分析系統(tǒng)、微流體芯片等?；贛EMS工藝的微制造技術(shù)在微流控芯片中獲得了廣泛的應(yīng)用，但隨著時(shí)間的發(fā)展現(xiàn)有的微流控制造方法也慢慢暴露了很多缺點(diǎn)。主要體現(xiàn)在維度限制（制造三維微流控芯片比較困難）及小批量制造的成本居高不下。因而隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，采用3D打印制造微流控芯片越來越可行與方便。
1.熔融沉積（FDM）3D打印方式的微流控芯片制造
擠出成型3D打印方法中，F(xiàn)DM打印技術(shù)目前應(yīng)用最為普遍，成本也最為低廉，售價(jià)通常在3000RMB-1000RMB，故而常被稱為桌面式3D打印機(jī)。如能使用FDM打印機(jī)很好的解決微流控芯片的制造問題，無疑非常實(shí)用、非常方便。當(dāng)然FDM桌面式3D打印機(jī)的缺點(diǎn)是精度不高，直接用來打印芯片通常會(huì)出現(xiàn)泄漏等問題，使用合適的打印材料，可以部分的避免這個(gè)問題。另一個(gè)方法是使用FDM打印打印模具，如覺得模具精度不高，可進(jìn)行二次拋光，用作快速制造微流控芯片還是比較方便的，需要聲明的是，該方法制造芯片的精度大概在幾百微米之間。
基于FDM工藝打印的微流控芯片
2.光固化3D打印方式的微流控芯片制造
光固化3D打印方式中SLA價(jià)格比較貴，不夠親民。而DLP工藝近幾年發(fā)展迅速，有普及的趨勢(shì)，目前價(jià)格也就在1萬RMB-5萬RMB左右，精度也可控制在幾十微米。個(gè)人覺得DLP工藝的3D打印機(jī)比較適合于微流控芯片制造，當(dāng)然光固化樹脂的一些特性可能會(huì)限制光固化打印微流控芯片的部分應(yīng)用，而這也是研究人員可以努力的方向哈?；贒LP工藝，透明的微流控芯片、內(nèi)置的3D流道相對(duì)容易制造出來，具體的部分技術(shù)細(xì)節(jié)還需進(jìn)一步探索。
基于光固化工藝制造的微流控芯片
3.選擇性激光燒結(jié)3D打印方式的微流控芯片制造
由于該方式主要燒結(jié)金屬材料，價(jià)格較貴，在微流控中報(bào)道不多，主要見于微反應(yīng)器的報(bào)道。用于燃料電池的制氫微反應(yīng)器可考慮使用這個(gè)工藝制造。
4.基于噴墨3D打印方式的微流控芯片制造
噴墨3D打印有兩類成型方式，一類是通過噴射粘結(jié)劑粘附顆粒實(shí)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)制造，這個(gè)工藝中液體滲漏是一個(gè)問題，個(gè)人認(rèn)為不太適合于芯片制造。另一類是噴射光固化液滴，利用UV光固化，這個(gè)制造方式接近于前述的光固化工藝，但由于多噴頭的作用使得彩色3D結(jié)構(gòu)的打印不再是難題。該工藝制造微流控芯片同樣有不少報(bào)道，理論上將可基于該工藝實(shí)現(xiàn)芯片上一些抗體、反應(yīng)物等的同時(shí)打印，我們期待后續(xù)會(huì)出現(xiàn)這方面的報(bào)道。
基于噴墨光固化的微流控芯片3D打印
5.疊層制造3D打印方式的微流控芯片制造
疊層制造原來是指將切好截面的紙張疊加起來實(shí)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)的制造，基于該原理可手工制造出芯片的每部分，然后將其疊加起來。個(gè)人覺得如果是手工制作，歸類于3D打印有點(diǎn)勉強(qiáng)。不過目前的有一種融合了基于切紙的疊層制造及噴墨打印工藝的3D打印機(jī)有望在3D紙芯片的制造中獲得應(yīng)用，理論上講使用噴墨打印頭可方便的在紙上沉積各種試劑、而切紙工藝可方便的制造三維紙芯片結(jié)構(gòu)，期待后續(xù)會(huì)有這方面的報(bào)道。
6.雙光子聚合3D打印方式的微流控芯片制造
該工藝精度高，能制造微納米尺度的流道，可惜受限于設(shè)備成本及商業(yè)化應(yīng)用稍顯狹窄的問題，該方法還需要成熟期，未來能否有較多的應(yīng)用還有待觀察。
基于疊層制造及雙光子聚合的微流控芯片3D打印
7.3D打印生物微流控芯片/3D打印生物MEMS
3D打印生物微流控可大體分為器官芯片打印及生物打印中的血管化。前者主要目標(biāo)是在芯片上模擬出器官組織，用于藥物篩選等。而后者主要是為了解決器官制造中的營養(yǎng)輸送或者說是血供問題。
課題組的生物打印血管化研究工作，同樣可用于器官芯片的直接打印
參考文獻(xiàn)116的血管化工作
8.3D打印微流控芯片優(yōu)缺點(diǎn)
Method | Principle | Material | Advantages | Disadvantages | Suitable microfluidics |
FDM | Extrusion -based | Thermoplastic, eutectic metal,ceramics, edible material, etc. | Simple using and maintaining, low cost, easily accessible | Rough surface, low resolution | Mold casting, channel size larger than 200μm, Low-cost chips |
SLA & DLP | Photocuring | Liquid photosensitive resin | High accuracy | Limited resin, unbio-compatible | Mold casting, Channel size larger than 100μm
|
3DP-LR | Inkjet-based | Liquid photosensitive resin | High accuracy | Very expensive | Transparent chips |
SLS & SLM | Photomelting | Powdered plastic, metal, ceramic, PC, acrylic styrene, PVC, ABS wax, etc. | Wide adaptation of materials, high accuracy, high strength | Very expensive | Reactor with high temperature |
LOM | Paper cutting | Sheet material (paper, plastic film, metal sheets, cellulose etc.) | Low cost, easy to manufacture large parts | Time-consuming, low material utilization | 3D μPADs with different agents
|
3DP-P | Inkjet-based | Powdered plaster, ceramics sugar etc. | Colorful printing | Post surface treatment, low strength | Unsuitable |
LDW & Two-Photon Polymerization Process | Laser-based | Glass, fused silica etc. | High accuracy | Expensive | Situations need high accuracy |
標(biāo)簽: 微流控 微流控芯片 3D打印