CN103861670B - 一种基于冰打印的微流控器件制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于冰的三维成型打印方法的微流控器件制备的方法。这种应用冰打印制备微流控器件的方法的基本原理是：以打印溶液作为原料，通过冰打印方法形成的冰结构作为微流控器件的骨架，然后用聚合物完成封装形成微流控器件。其中冰打印方法的原理是：首先通过打印喷头喷射出的微量打印溶液液滴，然后微小液滴喷射到低温的衬底表面，液体被冷冻成为固态冰；打印喷头被安装在通过电脑控制的三维移动平台上，通过一层一层的叠加最终形成由三维冰结构。并在实施例中，演示了利用冰打印系统制备一种液体预封装的药物释放微流控器件。

Description

一种基于冰打印的微流控器件制备方法

技术领域

本发明涉及微流控器件制造领域，具体涉及一种基于冰的三维成型打印方法的微流控器件的制备方法。

背景技术

微流控器件是基于微流控器件构成的芯片。微流控器件因其能在微尺度下对液体进行操控，使得其在生物医疗应用上有极大地潜力。生物医疗应用中一次性的要求，使得微流控器件的制备必须满足低成本的要求。所以在微流控器件的制造过程中，一般需要通过对摸具进行翻模来获得聚合物的微流道图形结构。对于需要有液体封装的微流控器件，比如药物释放微流控器件等。由于摸具的传统工艺制备过程不能与微流控器件的加工工艺集成。所以需要封装的液体需要在器件成型后，单独注射到预留的腔体里。这极大制约了微流控器件在药物释放等领域的应用。

发明内容

本发明基于现有技术中的问题，提出了一种基于冰打印的微流控器件制备方法。

其基本原理是：通过以打印溶液作为原料，通过冰打印方法形成的冰结构作为微流控器件的骨架，然后用聚合物完成封装形成微流控器件。其中冰打印方法的原理是：首先通过打印喷头喷射出的微量打印溶液液滴，然后微小液滴喷射到低温的衬底表面，液体被冷冻成为固态冰，通过一层一层不断的叠加最终形成由三维冰结构。

为了实现上述的发明目的，本申请提供了以下具体的技术方案：

为实现基于冰打印的微流控器件制备方法，需要构建一套冰打印系统，所述三维冰打印系统包括：密闭手套箱、打印喷头、三维移动平台及伺服控制系统、衬底制冷系统、打印溶液储存盒、衬底。

所述的密闭手套箱具有气体环境控制系统。

所述打印喷头设置在所述三维移动平台及伺服控制系统上；三维移动平台及伺服控制系统控制打印喷头在三个轴上的运动。

所述衬底制冷系统置于衬底底部，用于使衬底保持低温状态。

所述打印溶液储存盒通过导管与打印喷头连接，用于储存和向打印喷头输运用于三维冰打印的打印溶液。

所述衬底是任何表面可以达到打印溶液冰点以下的材料都可以使用。导热好的材料更适宜做三维冰打印的衬底。

应用所述的冰打印系统的微流控器件制备方法，其步骤是：

第一步，保持密闭手套箱内部环境的干燥，内部气氛的水分露点温度低于衬底制冷系统所需制冷温度即可。

第二步，启动衬底制冷系统，并将衬底放置其上。使得衬底的温度低于打印溶液的冰点。

第三步，控制联动的打印喷头和三维移动平台及伺服控制系统，在二维平面完成扫描，使微小打印溶液液滴喷射到平面内任意的指定位置。并不断层层叠加，从而获得三维冰结构。

第四步，保持衬底和三维冰结构的低温，并将制备封装微流控器件所需的聚合物液体。

覆盖在衬底和三维冰结构之上，并使之到达预定厚度并保持平整。

第五步，将覆盖在衬底和三维冰结构之上的聚合物固化，并与衬底结合，同时低温保存整个器件和预封装的药物，使冰结构完整。

第六步，在聚合物固化以后，在需要微流控器件需要贯通开口处开口。

本发明提出的基于冰打印方法的微流控制备方法简单实用，成本低。在微流控器件制备过程中体现出了广阔的应用前景，使得不同的打印溶液能与微流控器件制备过程相集成，从而制备出液体预封装的微流控器件，并能用于大规模生产。本发明的方法有效的实现了与微流控器件加工工艺的集成，并可通过这种方法方便的制备有液体预封装的微流体芯片，比如微流体药物释放器件等，体现出三维冰打印技术在微流控器件制造领域的应用潜力。

附图说明

图1是本发明提出的冰打印系统的结构示意图。

图2是依据本发明实施方式的微流体药物释放芯片的结构示意图，其中图（a）为俯视图；图（b）为器件沿中心线的剖面图。

图3是依据本发明实施方式的微流体药物释放芯片的制备流程的剖面示意图。

其中，1：密闭手套箱；2：打印喷头；3：三维移动平台及伺服控制系统；4：衬底制冷系统；5：打印溶液储存盒；6：衬底；7：药物储液腔；8：功能微流道；9：药物释放孔；10：光固化聚合物；11：三维冰结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

为实现基于冰打印的微流控器件制备方法，需要构建一套冰打印系统，三维冰打印系统包括：密闭手套箱1、打印喷头2、三维移动平台及伺服控制系统3、衬底制冷系统4、打印溶液储存盒5、衬底6。所述的打印喷头2、三维移动平台及伺服控制系统3、衬底制冷系统4、打印溶液储存盒5、衬底6都设置在密闭手套箱1内。

所述的密闭手套箱1具有气体环境控制系统，用于将系统与外界空气隔绝，并通过干燥手段去除手套箱内获的水汽并始终保持干燥，防止在衬底制冷系统4上结霜。其中气体环境控制可以使用带分子筛的气体循环系统来降低密闭手套箱1中的水蒸气含量。

所述打印喷头2用来产生和喷射微小打印溶液液滴到衬底6上。

所述三维移动平台及伺服控制系统3用来控制打印喷头2在三个轴上的运动，从而控制微小打印溶液液滴的打印位置。

所述衬底制冷系统4安置在三维移动平台及伺服控制系统3的平台上，并置于衬底6底部，用于使衬底6保持低温状态，从而使得微小打印溶液液滴能被冷冻成固态冰结构。

所述打印溶液储存盒5通过导管与打印喷头2连接，用于储存和向打印喷头2输运用于三维冰打印的打印溶液，这里的打印溶液可以是各种溶于水的化学试剂或者是微纳米颗粒，也可以是其他用于冰打印的溶液，例如环己烷等。

所述衬底6可以是各种材料，理论上讲任何表面可以达到打印溶液冰点以下的材料都可以使用。导热好的材料更适宜做三维冰打印的衬底。

利用上述冰打印系统，通过以下步骤可以实现基于冰打印技术的微流控制备方法：

第一步，保持密闭手套箱内部环境的干燥，内部气氛的水分露点温度低于衬底制冷系统4所需制冷温度即可。例如，系统工作时衬底表面温度为-10℃，则手套箱内部气氛的水分露点温度应低于-10℃。

第二步，启动衬底制冷系统4，并将衬底6放置其上。使得衬底的温度低于打印溶液的冰点。例如，使用冰点为0℃的纯水作为打印原料，则应使衬底6表面温度低于0℃。

第三步，使用已编程的计算机控制联动的打印喷头2和三维移动平台及伺服控制系统3，在二维平面完成扫描，从而使微小打印溶液液滴喷射到平面内任意的指定位置。并不断层层叠加，从而获得三维冰结构。

第四步，保持衬底6和三维冰结构的低温，并将制备微流控器件所需的聚合物液体覆盖在衬底6和三维冰结构之上，并使之到达预定厚度并保持平整。所述的聚合物液体为：如PDMS,光固化聚合物等。

第五步，将覆盖在衬底6和三维冰结构之上的聚合物固化，并与衬底结合，获得一定的强度，同时低温保存整个器件和预封装的药物，使冰结构完整。

第六步，在聚合物固化以后，在需要微流控器件需要贯通开口处开口。这个步骤可以在微流体药物释放器件需要使用时再操作。

本发明的实施例系利用基于冰打印的微流控制备方法制备的一种微流体药物释放器件，如图2（a）所示。此药物释放器件包括药物储液腔7，功能微流道8和药物释放孔9。器件的剖面图如图2(b)所示，底层为衬底6，优选为载玻片，其上的药物储液腔7和功能微流道8都通过三维冰打印方法由药物打印溶液成型，封装器件的为光固化聚合物10，优选为乐泰3311光固化医疗器件用胶。药物释放孔9通过打孔器打通聚合物制备，可在使用前制备药物释放孔9。

本发明实施例采用三维冰打印方法的制备流程截面图如图3（a）～(d)所示。第一步，通过三维冰打印系统将药物打印溶液作为打印原料，在衬底6上打印出药物储液腔7和功能微流道8的三维冰结构11。其中衬底温度为-10℃，手套箱内水分露点温度为-20℃，水蒸气含量约为1000ppmv。（见图3（a））第二步，低温保持三维冰结构11，并且将光固化聚合物10覆盖在整个衬底上并流平，聚合物要没过整个三维冰结构11。其中三维冰结构11的厚度优选为2mm，光固化聚合物10的厚度为4mm。（见图3（b））第三步，采用紫外光或自然光使得光固化聚合物10固化成型。（见图3（c））第四步，将器件从冰打印系统上取出，并利用打孔器制备药物释放孔9。（见图3（d））

本发明应用的实施例中的微流体药物释放器件的工作原理为指压式给药方法。通过手指按压药物储液腔7，药物通过功能微流道8和药物释放孔9流出，完成给药。同时也可以集成其他制动器件实现多种驱动形式，例如磁力驱动，电解水驱动和热驱动等。可以有多个药物储液腔7来储存多种药物打印溶液，功能微流道8可以实现打印溶液混合等功能，以获得需要释放的药物成分。

此实施例验证了我们提出的基于冰打印方法的微流控制备方法在微流控器件制造领域内的可行性。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种基于冰打印的微流控器件制备方法，其特征在于，所述的冰打印采用下述的一套冰打印系统来实施；冰打印系统包括：衬底制冷系统、打印喷头、三维移动平台及伺服控制系统、打印溶液储存盒、衬底；所述衬底制冷系统安置在三维移动平台及伺服控制系统的平台上，并置于衬底底部，用于使衬底保持低温状态；所述打印喷头设置在所述三维移动平台及伺服控制系统上；三维移动平台及伺服控制系统控制打印喷头在三个轴上的运动；所述打印溶液储存盒通过导管与打印喷头连接，用于储存和向打印喷头输运用于三维冰打印的打印溶液；所述的制备方法的步骤是：

第一步，保持冰打印系统始终位于干燥气氛中，气氛的水分露点温度低于衬底制冷系统所需制冷温度；

第二步，启动衬底制冷系统，并将衬底放置其上，使得衬底的温度低于打印溶液的冰点；

第三步，控制联动的打印喷头和三维移动平台及伺服控制系统，在二维平面完成扫描，使微小打印溶液液滴喷射到平面内任意的指定位置；并不断层层叠加，从而获得三维冰结构作为微流控器件的骨架结构；

第四步，保持衬底和三维冰结构的低温，并将制备微流控器件所需的聚合物液体覆盖在衬底和三维冰结构之上，并使之到达预定厚度并保持平整；

第五步，使覆盖在衬底和三维冰结构之上的聚合物固化，并与衬底结合，同时低温保存整个器件和预封装的溶液，使冰结构完整；

第六步，在聚合物固化以后，在微流控器件需要贯通开口处开口。