CN102962107A - 三维微流控芯片的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维微流控芯片的制作方法，包括以下步骤：1）在工作台面上浇注一层液态可固化树脂，固化后形成芯片的底面；2）在芯片的底面上喷射可溶于溶剂的流道实体材料制备三维流道实体结构；3）在三维流道实体结构上浇注液态可固化树脂，将三维流道实体结构包覆，固化后形成实体芯片；4）采用溶剂将实体芯片中的三维流道实体结构溶解，制得三维微流控芯片，其制作过程简单、三维结构精确可控、制作效率高。本发明还公开了一种三轴机床，在现有的三轴机床基础上进行改进，将主轴部分换为喷头，通过三轴机床的XYZ三轴运动组件控制喷头喷射可溶于溶剂的流道实体材料依次形成截面S₁~S_n，从而得到三维流道实体结构。

Description

三维微流控芯片的制作方法

技术领域

本发明涉及微纳加工领域，尤其是涉及三维微流控芯片的制作方法。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块芯片上，自动完成分析过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

微流控芯片特征主要是其容纳流体的有效结构（通道、反应室和其它某些功能部件）至少在一个纬度上为微米级尺度。由于微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能。因此采用独特的分析能够产生特殊的性能。微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。

目前微流控芯片的制造方法主要是通过光刻、热压等方法制作出一面带有微纳米尺寸流道的芯片，然后将其和盖片键合得到。而目前光刻、热压等方法只能获得平面的二维结构，难以获得真正的三维流道，即使是得到三维流道，也是通过平面的二维结构拼装而成。因而目前所使用的微流控芯片均以二维为主。而三维的微流道可以实现更好的试剂混合、不同试剂的相互反应。如果在微流道内通入细胞培养液的话，使用三维微流道便于从各个方向对细胞进行培养、刺激、观察等。因而三维微流道具有更为重要的应用价值。

申请号为200810070306.9的中国发明专利申请公开了含原位聚合甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱的三维微流控芯片及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：（1）盖片采用PMDS（聚二甲基硅氧烷）整体浇铸成型法制作；（2）以玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或聚二甲基硅氧烷（PMDS）为芯片基片材料，采用湿法或者干法刻蚀有流体混合和反应的微通道网络，微通道网络尺寸为长10~30mm×宽50~200μm×深50~200μm；（3）采用双官能团试剂γ-MAPS处理盖片中微通道；（4）在盖片的微通道中，采用紫外光照原位聚合法制备聚甲基丙烯酸丁酯预处理整体柱；（5）将步骤（4）制备的盖片和步骤（2）制备的基片直接粘接封装，使盖片上的微通道和基片中的微通道网络连通，得到三维微流控芯片。该技术方案采用传统的光刻、热压等方法制作出一面带有微纳米尺寸流道的基片，然后将其和盖片键合得到，拼接形成三维的微流道，制备步骤复杂、工艺繁琐，生产效率较低，不利于工业化大规模生产。

发明内容

本发明提供了一种三维微流控芯片的制作方法，利用固化树脂做基面，采用可溶于溶剂的流道实体材料构造三维流道实体结构，再浇注液态可固化树脂，最后通过芯模分离的方法获得三维流控芯片。制作的三维流控芯片拥有多层高效的结构，其制作过程简单、三维结构精确可控、制作效率高。

一种三维微流控芯片的制作方法，包括以下步骤：

1）在工作台面上浇注一层液态可固化树脂，固化后形成芯片的底面；

2）在芯片的底面上喷射可溶于溶剂的流道实体材料制备三维流道实体结构；

3）在三维流道实体结构上浇注液态可固化树脂，将三维流道实体结构包覆，固化后形成实体芯片；

4）采用溶剂将实体芯片中的三维流道实体结构溶解，制得三维微流控芯片。

步骤1）和步骤3）中，液态可固化树脂可采用现有技术，可选用单体，也可以选用混合物，可以通过加热的方式固化、添加固化剂的方式固化以及两者结合的方式固化。作为优选，所述的液态可固化树脂为环氧树脂、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等中的一种，可采用市售产品。其中，步骤1）中的液态可固化树脂和步骤3）中的液态可固化树脂可以相同，也可以不同，只要两者的液态可固化树脂最终固化形成一体芯片结构即可，作为优选，步骤1）中的液态可固化树脂和步骤3）中的液态可固化树脂相同，能够大大提高一体成型芯片的结构强度。

步骤2）中，在芯片的底面上喷射可溶于溶剂的流道实体材料制备三维流道实体结构，具体包括：

a）根据需要绘制三维流道图；

绘制三维流道图可采用现有技术，可通过计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)得到三维流道图，可使用商业CAD软件，诸如Solidworks、UG等绘制；

b）将三维流道图中的三维流道沿平行于芯片的底面的方向进行切片，依次得到截面S₁、S₂、S₃、S₄、S₅……S_n，截面S₁~S_n沿垂直于芯片的底面的方向叠合即可得到三维流道；

其中，S₁为紧贴芯片的底面的平面，S_n为远离芯片的底面的平面；

可使用商业软件如MasterCAM等来完成，作为优选，采用等厚度切片，切片的厚度为0.05mm~1mm，按上述等厚度切片，一方面能够确保喷头喷射截面得到三维流道实体结构，保证一定的精度，另一方面，喷头喷射截面重复的次数不多，从而能够保证生产效率；

c）通过喷头在芯片的底面上使用可溶于溶剂的流道实体材料依次喷射截面S₁~S_n，得到三维流道实体结构。

喷头内的可溶于溶剂的流道实体材料，为高于熔点的液体，可溶于溶剂的流道实体材料从喷头喷射出后，由于环境温度较低（一般在5℃~40℃），即刻就可以固化，依次喷射截面S₁~S_n叠合即可得到三维流道实体结构。

可溶于溶剂的流道实体材料的熔点大于等于100℃，在常温下呈现固态，可溶于溶剂的流道实体材料从喷头喷射出后，即可固化。

可溶于溶剂的流道实体材料可选用溶于无机溶剂的材料，也可以选用溶于有机溶剂的材料，作为优选，所述的可溶于溶剂的流道实体材料为糖或盐，选用常用的原料即可，其中，糖的熔点为190℃，盐的熔点为801℃，糖的熔点不是很高，方便加热熔化，同时，在常温下也即可凝固。进一步优选，所述可溶于溶剂的流道实体材料为糖。

步骤4）中，如有需要，可对实体芯片裁切不规则边缘，以满足三维微流控芯片的品质要求。所述的溶剂根据步骤2）中可溶于溶剂的流道实体材料进行具体确定，只要能够溶解可溶于溶剂的流道实体材料即可，根据相似相溶原理，一般可溶于溶剂的流道实体材料选用无机材料，溶剂可选用无机溶剂，可溶于溶剂的流道实体材料选用有机材料，溶剂可选用有机溶剂。当可溶于溶剂的流道实体材料选用糖或盐时，溶剂可选用价格便宜且易于将糖或盐溶解的水，作为优选，所述的溶剂为水。

本发明还提供了一种三轴机床，在现有的三轴机床基础上进行改进，将主轴部分换为喷头，通过三轴机床的XYZ三轴运动组件控制喷头喷射可溶于溶剂的流道实体材料依次形成截面S₁～S_n，从而得到三维流道实体结构。

一种三轴机床，包括机身、设置在所述机身上的XYZ三轴运动组件以及受控于XYZ三轴运动组件并内置有发热器的喷头，所述的喷头连有用于输送可溶于溶剂的流道实体材料的输料管。

本发明三轴机床，可以在目前商用的数控铣床或雕刻机这些三轴机床基础上进行改进，将主轴部分换为喷头。

所述的喷头可采用使用商业化的压电式喷头、超磁滞伸缩喷头等，作为优选，所述的喷头包括筒状本体、设置在所述筒状本体一端的喷嘴、沿筒状本体的轴向设置在所述筒状本体内的螺杆以及设置在所述筒状本体靠近所述喷嘴一端的发热器。进一步优选，发热器可采用加热电阻丝，环形布置在所述筒状本体靠近所述喷嘴一端的内侧，方便安装，并且具有较好的加热效果，能够将可溶于溶剂的流道实体材料熔化，在螺杆的上下运动过程中，将可溶于溶剂的流道实体材料喷出。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明三维微流控芯片的制作方法，制作方法简单易于实施，生产效率高，易于工业化大规模生产。通过本发明方法得到的三维微流控芯片，属于一次成型，不需要键合、可以制作真正的三维微流道，加工成本低。

本发明三轴机床，可在现有的三轴机床基础上改进，将主轴部分换为喷头，通过简单的改进即可实现本发明制备三维流道实体结构，通过本发明三轴机床即可大大提高三维微流控芯片的生产效率并能够保证三维微流控芯片的品质。

附图说明

图1为本发明三轴机床中喷头运动轨迹的示意图；

图2为本发明三轴机床中喷头的结构示意图；

图3为本发明中三维流道的结构示意图；

图4为本发明中三维流道切成5层截面S₁、S₂、S₃、S₄、S₅的结构示意图；

图5为本发明中三维微流控芯片的结构示意图；

图6为本发明中三维微流控芯片的三维流道的剖面图；

图7为本发明中三维微流控芯片的三维流道的剖面透视图。

具体实施方式

一种三轴机床，包括机身、设置在机身上的XYZ三轴运动组件以及受控于XYZ三轴运动组件并内置有发热器的喷头1。如图1所示，为喷头1沿X轴、Y轴、Z轴方向运动的示意图，喷头1上接有用于输送可溶于溶剂的流道实体材料15的输料管2。如图2所示，喷头1包括筒状本体11、设置在筒状本体11一端的喷嘴12、沿筒状本体11的轴向设置在筒状本体11内的螺杆13以及设置在筒状本体11靠近喷嘴12一端的发热器14。发热器14可采用加热电阻丝，环形布置在筒状本体11靠近喷嘴12一端的内侧。喷头1内有可溶于溶剂的流道实体材料15，在XYZ三轴运动组件的运动下，带动喷头1按所需的路径进行运动，并从喷头1喷射出液态的可溶于溶剂的流道实体材料15，凝固后即可形式三维流道实体结构。

一种三维微流控芯片的制作方法，包括以下步骤：

1）在工作台面上浇注一层液态可固化树脂，固化后形成芯片的底面；

液态可固化树脂为环氧树脂、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等中的一种，可采用市售产品；

2）在芯片的底面上喷射可溶于溶剂的流道实体材料制备三维流道实体结构，具体包括：

a）根据需要绘制三维流道图；

绘制三维流道图可采用现有技术，可通过计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)得到三维流道图，可使用商业CAD软件，诸如Solidworks、UG等绘制；

b）三维流道图中的三维流道沿平行于芯片的底面的方向进行切片，依次得到截面S₁、S₂、S₃、S₄、S₅……S_n，截面S₁~S_n沿垂直于芯片的底面的方向叠合即可得到三维流道；

其中，S₁为紧贴芯片的底面的平面，S_n为远离芯片的底面的平面；

可使用商业软件如MasterCAM等来完成，可采用等厚度切片，切片的厚度为0.05mm~1mm，按上述等厚度切片；

c）通过喷头在芯片的底面上使用可溶于溶剂的流道实体材料依次喷射截面S₁～S_n，得到三维流道实体结构；

可溶于溶剂的流道实体材料的熔点大于等于100℃，具体可选用糖或盐；

3）在三维流道实体结构上浇注液态可固化树脂，将三维流道实体结构包覆，固化后形成实体芯片；

液态可固化树脂为环氧树脂、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等中的一种，可采用市售产品；

4）采用溶剂将实体芯片中的三维流道实体结构溶解，制得三维微流控芯片，如有需要，可对实体芯片裁切不规则边缘。溶剂可选用价格便宜且易于能将糖或盐溶解的水。

实施例1

1）首先在工作台面上浇注一层液态的由质量比为10:1的聚二甲基硅氧烷和固化剂组成的混合物，厚度为1mm，待其固化后形成芯片的底面；

2）在芯片的底面上喷射可溶于溶剂的流道实体材料制备三维流道实体结构，具体包括：

a）先使用CAD软件（Solidworks）设计出三维流道，三维流道图如图3所示，其中，流道入口31和流道入口32以及流道出口33分别位于三维流道的两侧；

b）使用商用MasterCAM软件将三维流道图中的三维流道沿平行于芯片的底面的方向（即三轴机床的X向和Y向所在的平面）进行切片，采用等厚度（即三轴机床的Z向）切片，切片的厚度为0.5mm，切片层数为5层，依次获5层截面S₁、S₂、S₃、S₄、S₅，如图4所示，截面S₁、S₂、S₃、S₄、S₅沿垂直于芯片的底面的方向（即三轴机床的Z向）叠合即可得到三维流道，其中，S₁为紧贴芯片的底面的平面，最靠近芯片的底面，S₅为远离芯片的底面的平面，离芯片的底面最远；

c）将改进后的三轴机床（在商用的数控铣床基础上改进，将主轴部分换为喷头），可溶于溶剂的流道实体材料15选用糖，糖从输料管2中输入到喷头1内，喷头1内发热器14通过环形布置在筒状本体11靠近喷嘴12一端的内侧的加热电阻丝对喷头1内的糖加热，使糖熔化。螺杆13通过电磁控制上下移动，推动糖向下移动，通过螺杆挤压喷射到指定位置。针对第Si个截面，首先通过机床Z轴，移动到第Si个截面所在的高度Zi，然后喷头开启，通过机床X、Y轴的运动，喷印出Si截面。待Si截面上糖固化后，继续喷印下一层截面Si+1。以此方式通过三轴机床依次完成截面S₁、S₂、S₃、S₄、S₅的喷射，得到三维流道实体结构；

3）在三维流道实体结构上浇注液态的由质量比为10:1的聚二甲基硅氧烷和固化剂组成的混合物，将三维流道实体结构包覆，固化后形成实体芯片；

4）裁切不规则边缘，在水中溶解掉实体芯片内部糖制成的三维流道实体结构，在流道入口31连接上流道入口接口34，流道入口32连接上流道入口接口35，流道出口33连接上流道出口接口36，最终获得三维微流控芯片，如图5、图6、和图7所示。

Claims (10)

1.一种三维微流控芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在工作台面上浇注一层液态可固化树脂，固化后形成芯片的底面；

2）在芯片的底面上喷射可溶于溶剂的流道实体材料制备三维流道实体结构；

3）在三维流道实体结构上浇注液态可固化树脂，将三维流道实体结构包覆，固化后形成实体芯片；

4）采用溶剂将实体芯片中的三维流道实体结构溶解，制得三维微流控芯片。

2.根据权利要求1所述的三维微流控芯片的制作方法，其特征在于，步骤1）和步骤3）中，所述的液态可固化树脂为环氧树脂、聚二甲基硅氧烷中的一种。

3.根据权利要求1所述的三维微流控芯片的制作方法，其特征在于，步骤2）中，在芯片的底面上喷射可溶于溶剂的流道实体材料制备三维流道实体结构，具体包括：

a）根据需要绘制三维流道图；

b）将三维流道图中的三维流道沿平行于芯片的底面的方向进行切片，依次得到截面S₁、S₂、S₃、S₄、S₅……S_n，截面S₁~S_n沿垂直于芯片的底面的方向叠合即可得到三维流道；

其中，S₁为紧贴芯片的底面的平面，S_n为远离芯片的底面的平面；

c）通过喷头在芯片的底面上使用可溶于溶剂的流道实体材料依次喷射截面S₁～S_n，得到三维流道实体结构。

4.根据权利要求1或3所述的三维微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述的可溶于溶剂的流道实体材料的熔点大于等于100℃。

5.根据权利要求4所述的三维微流控芯片的制作方法，其特征在于，所述的可溶于溶剂的流道实体材料为糖或盐。

6.根据权利要求3所述的三维微流控芯片的制作方法，其特征在于，步骤b）中，采用等厚度切片，切片的厚度为0.05mm~1mm。

7.根据权利要求1所述的三维微流控芯片的制作方法，其特征在于，步骤4）中，所述的溶剂为水。

8.一种三轴机床，其特征在于，包括机身、设置在所述机身上的XYZ三轴运动组件以及受控于XYZ三轴运动组件并内置有发热器的喷头，所述的喷头连有用于输送可溶于溶剂的流道实体材料的输料管。

9.根据权利要求8所述的三轴机床，其特征在于，所述的喷头包括筒状本体、设置在所述筒状本体一端的喷嘴、沿筒状本体的轴向设置在所述筒状本体内的螺杆以及设置在所述筒状本体靠近所述喷嘴一端的发热器。

10.根据权利要求9所述的三轴机床，其特征在于，所述的发热器采用加热电阻丝，环形布置在所述筒状本体靠近所述喷嘴一端的内侧。

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