CN106732840A - 纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3d打印方法及装置 - Google Patents

Abstract

纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印方法及装置，涉及微流控芯片。3D打印方法：1)在收集板上沉积纳米纤维纸基；2)将收集板移至疏水材料喷印区域，加热使喷头中的疏水材料保持熔融；再加入电场，使疏水材料纤维向下喷射，构成疏水材料纤维图案；3)设计每层疏水材料纤维图案，通过纳米纤维纸基和疏水材料纤维图案不断叠层的3D打印方式，构造微流控芯片的结构；4)收集板加热，各层疏水材料渗入纳米纤维纸基，构造出微流控结构，并最终在纳米纤维纸基上制造出具有3D结构的微流控芯片。打印装置设有直流电源、二维喷印运动平台、进给泵、纺丝针头、储液针筒、喷头、辅助电源、温控装置、导电基材、绝缘板、收集板和升降台。

Description

纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印方法及装置

技术领域

本发明涉及微流控芯片，特别是涉及一种纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印方法及装置。

背景技术

微流控一词出现在20世纪90年代初,指的是在微米尺度上操作和控制流体的技术。经过20多年的发展，微流控技术从最初的单一功能的流体控制器件发展到了现在的多功能集成、应用非常广泛的微流控芯片技术,在分析化学、医学诊断、细胞筛选、基因分析、药物输运等领域得到了广泛应用。相比于传统方法,微流控技术具有体积小、检测速度快、试剂用量小、成本低、多功能集成、通量高等特点。

近年来，越来越多的研究者尝试采用3D打印技术直接打印制作微流控芯片。3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为增材制造(AM，Additive Manufacturing)。3D打印技术主要应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。

将3D打印的技术优点与微流控芯片的制造相结合，可以显著简化微流控芯片的加工过程,在打印材料的选择上也非常灵活,除了各种聚合物材料外,还可以直接打印生物材料。一般情况下，微流控芯片的3D打印过程只需在设计完成后直接打印微流控芯片即可,相比于其它微加工技术,极大地降低了微流控芯片的技术门槛和加工成本,对微流控芯片技术的推广应用有着非常积极的意义。3D打印微流控芯片技术在生物医学检测领域的应用发展迅速,出现了很多用于细胞分析检测、药物输运、生物传感等领域的3D打印微流控芯片。

但3D打印微流控芯片目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。

因此，需要探索制作成本低廉、工艺简易快速、功能化应用广泛、生物兼容性好的微流控芯片制作材料。纸是多孔性、亲水性的纤维材料，具有成本低廉、操作性强、生物兼容性好、功能性强、后处理简单等特点。利用纳米纤维纸研制的纸基微流控芯片及其应用现已成为微流控芯片技术研究的新领域。纸基微流控芯片可以作为微型化、便携式的现场快速检测器件，将在医学快速诊断、食品安全快速检测以及环境质量快速监控等领域具有巨大潜在应用价值(丁超群，吴雪娥，陈晓东.基于石蜡庚烷溶液的低成本纸基微流控分析装置的制备及其应用[J].应用化学,2014,31(4):444-449)。

目前，纸基微流控芯片的制造多为单层纸基上的二维结构，或者通过单层纸基折叠的方式实现一些结构较为简单的3D结构，方法不够灵活，对折叠的精度要求较高，而且需要额外夹紧装置来减小层与层之间的空隙(David M.Cate,Jaclyn A.Adkins,JaruwanMettakoonpitak,and Charles S.Henry.Recent Developments in Paper-BasedMicrofluidic Devices.Analytical Chemistry,2015,87(1),19–41)。本发明提出一种在纳米纤维纸基上制造微流控芯片的3D打印方法及装置，可以通过直接打印纳米纤维纸基和疏水材料图案的方式叠层制造，使得层与层之间紧密连接，不需要额外的夹紧装置来减小层间隙，降低了制造成本、简化了制造工艺，促进了3D打印技术在微流控芯片领域中的应用。

发明内容

本发明的目的在于为了降低微流控芯片的制造成本，简化制造工序，提供纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印方法及装置。

本发明的另一目的在于提供纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印装置。

所述纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印方法包括以下步骤：

2)利用静电纺丝方法在收集板上沉积得到致密性良好的纳米纤维纸基；

2)将沉积有纳米纤维纸基的收集板移动至疏水材料喷印区域，加热3D打印喷头并保持在合适的温度，使得3D打印喷头中的疏水材料保持熔融状态，并具有合适的喷印粘度；再加入电场，在电场力的作用下，使得疏水材料纤维向下喷射，调节收集板的移动速度并按照特定的路径运动，构成疏水材料纤维图案；

3)在外部计算机辅助下，设计每层疏水材料纤维图案，通过纳米纤维纸基和疏水材料纤维图案不断叠层的3D打印方式，构造微流控芯片的结构；

4)将收集板放入保温箱中，加热，各层疏水材料将渗入各层纳米纤维纸基，填充纳米纤维纸基中的孔道并提高该部分的疏水性，构造出具有各种功能的微流控结构，并最终在纳米纤维纸基上制造出具有3D结构的微流控芯片。

所述纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印装置设有直流电源、机架、二维喷印运动平台、进给泵、纺丝针头、储液针筒、3D打印喷头、辅助电源、温控装置、导电基材、绝缘板、收集板和升降台。

所述储液针筒与纺丝针头固定连接，储液针筒通过夹紧机构固定在进给泵上，进给泵控制储液针筒中聚酰亚胺溶液的供给速度，使得聚酰亚胺溶液连续均匀进入纺丝针头。导电基材与纺丝针头中间位置配合固定，用于改善纺丝针头与收集板之间的电场均匀性。直流电源的正极输出端通过导线与导电基材连接，使纺丝针头与收集板之间形成稳定的高压静电场。

所述3D打印喷头通过导线与温控装置的输出端和温控接口连接，3D打印喷头中的加热模块加热上升到石蜡熔融温度，3D打印喷头中的传感模块与温控装置配合控制3D打印喷头的温度，使3D打印喷头中的石蜡始终处于熔融状态，便于进行石蜡纤维的喷印。

所述收集板通过导线与辅助电源的负极连接，在进行石蜡喷印的过程中，收集板带负高压，使3D打印喷头与收集板之间形成高压静电场，熔融态的石蜡在电场拉伸力的作用下喷射在收集板上，外部辅助电脑通过编程控制二维喷印运动平台的移动路径，完成石蜡图案。

所述绝缘板粘附在收集板下方，防止在石蜡喷印过程中，收集板与升降台之间发生放电现象，升降台通过螺钉固定在二维喷印移动平台上，通过调节升降台的高度，优化纳米纤维纸基制造和石蜡喷印的质量。

所述机架对进给泵以及3D打印喷头起支撑固定作用，二维喷印移动平台与机架固定连接。

所述直流电源可采用直流高压电源，所述辅助电源可采用辅助高压电源。

本发明通过3D打印的方法在纳米纤维纸基上构造出合理的疏水材料图案，并且不断叠层的方式，将疏水材料添加到纳米纤维纸基中特定的部分，加热后疏水材料能够充分的渗入特定部分纳米纤维纸基中，填充该部分纳米纤维纸基中的孔道并大大提高该部分的疏水性，构造出具有各种功能的微流控结构，形成纳米纤维纸基微流控芯片。该方法不仅能够大幅的节约微流控芯片的制造成本，而且方法简单灵活、工艺简易快速，在以纳米纤维纸为基底的微流控芯片制造方面提出了一种有效方法。

附图说明

图1是本发明所述纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印装置实施例结构示意图。

图2是图1中的加热喷头示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1和2，所述纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印装置实施例设有直流电源1、机架2、二维喷印运动平台11、进给泵3、纺丝针头13、储液针筒4、3D打印喷头5、辅助电源10、温控装置6、导电基材7、绝缘板8、收集板9和升降台12。

所述储液针筒4与纺丝针头13固定连接，储液针筒4通过夹紧机构固定在进给泵3上，进给泵3控制储液针筒4中聚酰亚胺溶液的供给速度，使得聚酰亚胺溶液连续均匀进入纺丝针头13。导电基材7与纺丝针头13中间位置配合固定，用于改善纺丝针头13与收集板9之间的电场均匀性。直流电源1的正极输出端通过导线与导电基材7连接，使纺丝针头13与收集板9之间形成稳定的高压静电场。

所述3D打印喷头5通过导线与温控装置6的输出端和温控接口连接，3D打印喷头5中的加热模块15加热上升到石蜡熔融温度，3D打印喷头5中的传感模块14与温控装置6配合控制3D打印喷头5的温度，使3D打印喷头5中的石蜡始终处于熔融状态，便于进行石蜡纤维的喷印。

所述收集板9通过导线与辅助电源10的负极连接，在进行石蜡喷印的过程中，收集板9带负高压，使3D打印喷头5与收集板9之间形成高压静电场，熔融态的石蜡在电场拉伸力的作用下喷射在收集板9上，外部辅助电脑通过编程控制二维喷印运动平台11的移动路径，完成石蜡图案。

所述绝缘板8粘附在收集板9下方，防止在石蜡喷印过程中，收集板9与升降台12之间发生放电现象，升降台12通过螺钉固定在二维喷印移动平台11上，通过调节升降台9的高度，优化纳米纤维纸基制造和石蜡喷印的质量。

所述机架2对进给泵3以及3D打印喷头5起支撑固定作用，二维喷印移动11平台与机架2固定连接。

所述直流电源可采用直流高压电源，所述辅助电源可采用辅助高压电源。

制造纳米纤维纸基的工作溶液储存在针筒中，由进给泵提供合适的压力将溶液压入静电纺丝的针头。直流高压电源正极输出端通过导线与纺丝针头上的圆铜片相连，使得铜片上带有高电压，调节升降台，使针头与收集板之间形成合适的收集距离和高压静电场，电场拉伸力作用促使纺丝射流向下喷射沉积得到纳米纤维纸基。

在二维喷印平台上控制沉积有纳米纤维薄膜的收集板移动到加热喷头下方。将3D打印喷头接入温控装置，加热并保持一定的温度，使得疏水材料融化并处于熔融状态，保持适合电纺的粘度。调节升降台使得收集板与3D打印喷头处于合适的距离，辅助高压电源负极输出端通过导线与铜质收集板连接，使得收集板带有负高压。收集板下面是绝缘板，防止收集板与升降台放电而影响实验效果。3D打印喷头通过导线接地，使加热喷头与收集板之间形成高压静电场。熔融态的疏水材料在电场拉伸力的作用下以喷射在纳米纤维薄纸基上。在外部电脑程序的辅助下喷印运动平台上的收集板沿着以恒定的速度沿着一定的路径运动，最终在收集板上形成疏水材料纤维图案。

关闭连接在收集板上的高压电源，使得收集板处于接地状态。重新将收集板移动至静电纺丝的针头下方，重复电纺步骤沉积得到新的纳米纤维薄纸基，使其覆盖在纤维图案上。再将喷印运动平台上的收集板移动至3D打印喷头下方，打印出新的一层疏水材料纤维图案。利用外部辅助电脑合理设计每层疏水纤维图案，重复进行这两部分，在收集板上得到多层纳米纤维纸基和疏水材料纤维图案。

将收集板从喷印运动平台上取下，并送入保温箱中，在一定的温度下加热适当的时间，使得疏水材料图案能够充分的渗入特定部分纳米纤维纸基中，相邻层之间的疏水材料也相互渗透连接，填充纳米纤维纸基中的孔道并大大提高该部分的疏水性，构造出具有各种功能的微流控结构，最终在纳米纤维纸基上制造出具有3D结构的微流控芯片。

本实施例在使用时，先利用溶液型静电纺丝技术在收集板上得到致密性良好的高分子纤维纸基，再将熔点较低的石蜡与熔融电纺技术结合，在高分子纤维纸基上喷印出石蜡图案，不断叠加纳米纤维纸基和石蜡的层数，并且合理设计每层石蜡的图案，加热后石蜡能够充分的渗入各层特定部分纳米纤维纸基中，填充该部分纳米纤维纸基中的孔道并大大提高该部分的疏水性，构造出具有各种功能的微流控结构，形成纳米纤维纸基微流控芯片。该方法有效的节约了微流控芯片的制造成本，简化了微流控芯片的制造技术。

Claims (2)

1.纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印方法，其特征在于其包括以下步骤：

1)利用静电纺丝方法在收集板上沉积得到致密性良好的纳米纤维纸基；

2)将沉积有纳米纤维纸基的收集板移动至疏水材料喷印区域，加热3D打印喷头并保持在合适的温度，使得3D打印喷头中的疏水材料保持熔融状态，并具有合适的喷印粘度；再加入电场，在电场力的作用下，使得疏水材料纤维向下喷射，调节收集板的移动速度并按照特定的路径运动，构成疏水材料纤维图案；

3)在外部计算机辅助下，设计每层疏水材料纤维图案，通过纳米纤维纸基和疏水材料纤维图案不断叠层的3D打印方式，构造微流控芯片的结构；

4)将收集板放入保温箱中，加热，各层疏水材料将渗入各层纳米纤维纸基，填充纳米纤维纸基中的孔道并提高该部分的疏水性，构造出具有各种功能的微流控结构，并最终在纳米纤维纸基上制造出具有3D结构的微流控芯片。

2.纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印装置，其特征在于设有直流电源、机架、二维喷印运动平台、进给泵、纺丝针头、储液针筒、3D打印喷头、辅助电源、温控装置、导电基材、绝缘板、收集板和升降台；

所述储液针筒与纺丝针头固定连接，储液针筒通过夹紧机构固定在进给泵上，进给泵控制储液针筒中聚酰亚胺溶液的供给速度，使得聚酰亚胺溶液连续均匀进入纺丝针头；导电基材与纺丝针头中间位置配合固定；直流电源的正极输出端通过导线与导电基材连接；

所述3D打印喷头通过导线与温控装置的输出端和温控接口连接，3D打印喷头中的加热模块加热上升到石蜡熔融温度，3D打印喷头中的传感模块与温控装置配合控制3D打印喷头的温度；

所述收集板通过导线与辅助电源的负极连接，在进行石蜡喷印的过程中，收集板带负高压，使3D打印喷头与收集板之间形成高压静电场，熔融态的石蜡在电场拉伸力的作用下喷射在收集板上，外部辅助电脑通过编程控制二维喷印运动平台的移动路径，完成石蜡图案；

所述绝缘板粘附在收集板下方，防止在石蜡喷印过程中，收集板与升降台之间发生放电现象，升降台通过螺钉固定在二维喷印移动平台上；

所述二维喷印移动平台与机架固定连接。