CN106925360A - 基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法，第一步，在接收板上涂抹一层光固化材料层，形成微流控芯片基底；第二步，进行近场静电纺丝或微流纺丝，得到具有一定图案的第一层纤维；第三步，接收板随运动平台下降一定高度，进行第二层纤维的有序沉积，由此逐层纺丝、固化，得到了有序纤维与光固化材料相结合的光固化模型；第四步，最后一层纤维与光固化模型表面连通，当光固化材料将纤维完全包覆并留有一定余量时光固化模型成型完成；第五步，将光固化模型取出置于溶剂中并加超声震动溶解纤维；第六步，当微纳米纤维完全溶解后将模型取出，得到微流控芯片。由于采用可溶性纤维作为流道填充物，成型精度可以达到与纤维直径相同的精度级别。

Description

基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法

技术领域

本发明涉及一种利用纳米纤维模板来制作微流控芯片的方法，具体涉及一种具有纳米通道或者复杂立体通道的微流控芯片的制作方法，属于微纳加工技术领域。

背景技术

微流控芯片是在普通毛线管电泳的基本原理和技术的基础上，利用微纳米加工技术在硅、石英、玻璃或高分子聚合物基质材料上加工出各种微细结构，如管道、反应池、电极之类的功能单元，完成生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生化反应、处理(混合、过滤、稀释)、分离检测等一系列任务，具有快速、高效、低耗、分析过程自动化和应用范围广等特点的微型分析实验装置。随着微分析系统和微机电系统的发展，市场上微流控芯片的需求量迅猛增加，并对其加工工艺、加工质量和加工成本提出了更高的要求。目前微流控芯片微通道成型加工主要是注塑成型、热压成型、微切削和激光微成型等。

传统的微流控芯片微通道成型加工主要是注塑成型和热压成型，例如中国专利201110072477.7、201010119177.5、200910308065.1、201010300409.7，提供了各种不同的成型表面具有微通道结构的微流控芯片注塑模具，但由于微尺度效应，都存在微通道充填成型困难的问题，而且微流控芯片的注塑模具制造难度大、注塑工艺复杂、生产成本高；热压成型则存在加热时间长、能源消耗高、成型压力大、热变形和成型精度受限制等问题。

另外，微切削、激光成型等方法各自具有加工使用范围和条件限制，例如微切削加工的加工生产效率低，加工的微通道尺寸和精度有限制；激光微刻蚀加工虽然加工效率较高，但其设备昂贵，加工表面精度不高，加工的微结构通道壁面粗糙，这是由于微通道壁面容易黏附残留废料和凸起物，如文献(CHINESE JOURNAL OF LASERS May.Vol.36,No.5,2009)报道了CO2激光辅助加工PMMA微流控芯片中的重铸物现象。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法，该微流控芯片可以是二维的通道，也可以是复杂的立体通道具有直径可控的纳米通道或者复杂的立体通道，制作方法简单，精度高并且通道直径可控，因此这种新型的微流控芯片的制作方法有望为微流控芯片开辟新的用途。

本发明提出一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法，包括：第一步，在接收板上涂抹一层光固化材料层，并将接收板置于三维运动平台上，跟随平台做三维运动，运动平台以及接收板置于装有液体光固化材料的容器中，使液体光固化材料没过接收板一定距离，打开分布在纺丝喷头两侧的面光源，使在接收板上方的液体光固化材料固化，形成微流控芯片基底；第二步，将可溶性聚合物溶液/熔体经过纺丝喷头进行近场静电纺丝或微流纺丝，通过控制纤维下落速度与接收平台运动速度之间的关系使纤维在接收板上实现有序沉积，得到具有一定图案的第一层纤维；第三步，接收板随运动平台下降一定的高度，下降的高度是纺丝纤维直径，打开分布在纺丝喷头两侧的面光源，使光固化材料固化，与此同时降低运动平台移动升降台，进行第二层纤维的有序沉积，第二层纺丝完成后再次打开面光源进行固化，由此逐层纺丝、固化，光固化材料将具有一定空间结构的纤维包覆，得到了有序微/纳米纤维与光固化材料相结合的光固化模型；第四步，最后一层纤维与光固化模型表面连通，当光固化材料将纤维完全包覆并留有2-5mm余量时视为成型完成，留有的2-5mm余量保证纤维被光固化材料完全包覆；第五步，将微/纳米纤维与光固化材料相结合的光固化模型取出置于溶剂中并加超声震动溶解纤维，原来纤维占据的空间为微流道；第六步，当微纳米纤维完全溶解后将模型取出，得到具有立体复杂结构的微流控芯片。本发明对于具有立体复杂结构的微流控芯片，采用了逐层成型的方法。

本发明所述的一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法，对于具有平面结构的微流控芯片，第一层纺丝纤维落在涂有光固化材料的接收板上，接收板随运动平台进行可控运动，下降的高度是纺丝纤维直径的一半，随后打开分布在纺丝喷头两侧的面光源，使光固化材料固化，纤维嵌进光固化材料中，以固定第一层纤维，完成后关闭面光源，随后将微/纳米纤维与光固化材料相结合的光固化模型取出置于溶剂中并加超声震动溶解纤维，当微纳米纤维完全溶解后将模型取出，得到平面结构的微流控芯片，平面结构的微流控芯片的通道直径与纺丝纤维直径一致。

本发明一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作的方法，其中微/纳米纤维可以由熔体电纺法获得，也可以是聚合物溶液，采用近场静电纺丝或者微流纺丝的方法获得，本质是为了获得可控取向的亚微米纳米微纳米级纤维。由于静电吸附，实时纺丝固化，纤维直径控制实现实时。也可以按照通道要求，先进行纺丝，在进行光固化的过程中进行布丝，布丝的路径满足微流控芯片的流道要求，由于丝直径比较细，布置起来难度较大。

本发明一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作的方法，其中纤维的材料是可溶性聚合物，光固化材料与纤维的材料不同。

本发明一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作的方法，微/纳米纤维的结构可以是二维图案或者复杂的三维结构，取决于所需微流控芯片的通道要求。

本发明一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作的方法，对于具有立体复杂结构的微流控芯片的制作过程，其中构成其内部流道的纤维为连续纤维，或者纤维互相搭接，经溶剂溶解过后内部流道均与出口连通；层间纤维直径可以不同，以得到直径不同的微流道；微流控芯片通道直径也可平缓过渡。

由以上技术方案可知，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.相比于传统的微流控芯片制作方法，由于用的是可溶性微纳米纤维作为流道填充物，纤维溶解过程中不会对微纳米流道造成损伤。所制作的模具母版，去模过程不会对模具造成损伤。

2.制作微流控芯片的过程中微纳米纤维的直径可控，因此可以实现二维图案或者三维结构的精确调控，可以得到不同直径的微通道，也可以实现微流控芯片通道直径的平缓过渡。

3.制作微流控芯片的过程中微纳米纤维的沉积形式可控，因此可以得到平面结构的微流控芯片，也可以得到具有立体复杂结构的微流控芯片。

4.采用光固化与纺丝的方法相结合，通过逐层成型得到的模具毛坯，不存在填充困难等问题，成型精度可以达到与纤维直径相同的精度级别，成型精度高。

5.本发明一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作的方法，微/纳米纤维的直径可以按需调控，因此可以实现微流控芯片通道直径的平缓过渡。

附图说明

图1为本发明一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法的整体装置图微流控芯片的制作方法示意图。

图2为本发明一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法的具有平面结构的微流控芯片模型。

图3为本发明一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法的具有复杂立体结构的微流控芯片。

图中：1-聚合物纺丝喷头；2-接收板；3-运动平台；4-液体光固化材料；5-光固化模型；6-面光源；7-平面结构的微流控芯片；8-复杂立体结构的微流控芯片。

具体实施方式

实施例1

本发明提出一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法包括：首先将接收板2置于三维运动平台3上，跟随运动平台3做三维运动，运动平台3以及接收板2置于装有液体光固化材料4的容器中，使液体光固化材料4没过接收板2一定距离，打开分布在纺丝喷头1两侧的面光源6，使在接收板2上方的液体光固化材料固化，形成微流控芯片基底。将可溶性聚合物溶液/熔体经过纺丝喷头1进行近场静电纺丝或微流纺丝，通过控制纤维下落速度与接收平台3运动速度之间的关系使纤维在接收板2上实现有序沉积。对于具有平面结构的微流控芯片，使一层纺丝纤维落在接收板2上，接收板2随运动平台3进行可控运动，以此得到具有一定图案的一层纤维，纺丝完成后，接收板随运动平台3下降一定的高度，下降的高度是纺丝纤维直径的一半，随后打开分布在纺丝喷头1两侧的面光源6，使液体光固化材料4固化，纤维嵌进光固化材料中，完成后关闭面光源。随后将微/纳米纤维与光固化材料相结合的光固化模型5取出置于溶剂中并加超声震动溶解纤维，当微纳米纤维完全溶解后将模型取出，即为平面结构的微流控芯片7，平面结构的微流控芯片7的通道直径与纺丝纤维直径一致。对于具有立体复杂结构的微流控芯片8，采用逐层成型的方法，第一层纺丝纤维落在接收板2上，接收板2随运动平台3进行可控运动，以此得到具有一定图案的第一层纤维，第一层纤维纺丝完成后，打开分布在纺丝喷头1两侧的面光源6，使液体光固化材料4固化，与此同时降低运动平台3，下降的高度满足第一层纤维和第二层纤维之间的间距要求，进行第二层纤维的有序沉积，第二层纺丝完成后再次打开面光源6进行固化，由此逐层纺丝、固化，光固化材料将具有一定空间结构的纤维包覆，得到了有序微/纳米纤维与光固化材料相结合的光固化模型5，最后一层纤维与光固化模型表面连通。随后将微/纳米纤维与光固化材料相结合的光固化模型5取出置于溶剂中并加超声震动溶解纤维，当微纳米纤维完全溶解后将模型取出，即为具有立体复杂结构的微流控芯片8。

本发明一种基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法，首先在接收板2上涂抹一层光固化材料4，并将其置于三维运动平台3上，跟随运动平台3做三维运动，运动平台3以及接收板2置于装有光固化材料4的容器中。将可溶性聚合物溶液/熔体经过聚合物纺丝喷头1进行近场静电纺丝或微流纺丝，通过控制纤维下落速度与运动平台3运动速度之间的关系使纤维在接收板2上实现有序沉积，第一层纺丝纤维落在涂有光固化材料4的接收板2上，接收板2随运动平台3进行可控运动，以此得到具有一定图案的第一层纤维，第一层纤维纺丝完成后，打开分布在纺丝喷头两侧的面光源7，使光固化材料固化，以固定第一层纤维，完成后关闭面光源7，与此同时移动升降台，进行第二层纤维的有序沉积，第二层纺丝完成后再次打开面光源7进行固化，由此逐层纺丝、固化，光固化材料4将具有一定空间结构的纤维包覆，当光固化材料4将纤维完全包覆并留有2-5mm余量时视为成型完成，光固化材料将纤维完全包覆。随后将微/纳米纤维与光固化材料相结合的光固化模型5取出置于溶剂中并加超声震动溶解纤维；当微纳米纤维完全溶解后将模型取出，即为微流控芯片6。

实施例2

将在接收板2上涂抹一层丙烯酸树脂作为光固化材料4，并以此作为纺丝接收板2置于运动平台3上，跟随运动平台3做三维运动，运动平台3以及接收板2置于装有丙烯酸树脂的容器中，使液体光固化材料4丙烯酸树脂没过接收板2一定距离，打开分布在纺丝喷头1两侧的面光源6，使在接收板2上方的液体光固化材料固化，形成微流控芯片基底；将PEG粒料加入聚合物熔体纺丝喷头1中，温度加热至60℃，使其熔融塑化，调节纺丝喷头1与接收板2之间的距离为5mm，纺丝电压为1kV，开始进行近场熔体静电纺丝；调节运动平台3运动速度为310mm/min使其与纤维下落速度保持一致，从而获得取向性较好的有序纤维；第一层纤维落在涂有丙烯酸树脂的接收板2上，接收板2随运动平台3进行规则的二维运动，从而在接收板2上获得具有一定图案的第一层纤维，第一层纤维沉积完成后进行光固化成型，纺丝完成后，降低运动平台3，随后打开分布在纺丝喷头1两侧的面光源6，使丙烯酸树脂固化，纤维嵌进光固化材料中，完成后关闭面光源。随后进行第二层纤维的有序沉积，第二层纺丝完成后再次降低运动平台3，打开面光源6进行固化，由此逐层纺丝、固化，光固化材料将具有一定空间结构的纤维包覆，固定第一层纤维；与此同时移动升降台，进行第二层纤维的有序沉积，第二层纺丝完成后接着进行光固化成型，由此逐层纺丝，固化；纺丝过程中调节温度由60℃到80℃连续变化，从而使纤维直径实现连续变化；随着纺丝与光固化过程的同时进行，具有一定结构并且直径连续变化的纤维被光固化材料4包覆，得到了有序微/纳米纤维与光固化材料相结合的光固化模型5，最后一层纤维与光固化模型表面连通当光固化材料4将纤维完全包覆并留有2-5mm余量时成型完成；随后将有序微/纳米纤维与光固化材料相结合的光固化模型5取出置于水中并加超声震动溶解纤维；当微纳米纤维完全溶解后将模型取出，即得到微流控芯片模具6。

Claims (6)

1.基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法，其特征在于：第一步，在接收板上涂抹一层光固化材料层，并将接收板置于三维运动平台上，跟随平台做三维运动，运动平台以及接收板置于装有液体光固化材料的容器中，使液体光固化材料没过接收板一定距离，打开分布在纺丝喷头两侧的面光源，使在接收板上方的液体光固化材料固化，形成微流控芯片基底；第二步，将可溶性聚合物溶液或熔体经过纺丝喷头进行近场静电纺丝或微流纺丝，通过控制纤维下落速度与接收平台运动速度之间的关系使纤维在接收板上实现有序沉积，得到具有一定图案的第一层纤维；第三步，接收板随运动平台下降一定的高度，下降的高度满足第一层纤维和第二层纤维之间的间距要求，打开分布在纺丝喷头两侧的面光源，使光固化材料固化，与此同时降低运动平台移动升降台，进行第二层纤维的有序沉积，第二层纺丝完成后再次打开面光源进行固化，由此逐层纺丝、固化，光固化材料将具有一定空间结构的纤维包覆，得到了有序纤维与光固化材料相结合的光固化模型；第四步，最后一层纤维与光固化模型表面连通，当光固化材料将纤维完全包覆并留有一定余量时光固化模型成型完成；第五步，将纤维与光固化材料相结合的光固化模型取出置于溶剂中并加超声震动溶解纤维，原来纤维占据的空间为微流道；第六步，当微纳米纤维完全溶解后将模型取出，得到具有立体结构的微流控芯片。

2.根据权利要求1所述的基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法，其特征在于：最后一层纤维与光固化模型表面连通，光固化材料将纤维完全包覆并留有的余量为2-5mm。

3.根据权利要求1所述的基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法，其特征在于：对于具有平面结构的微流控芯片，第一层纺丝纤维落在涂有光固化材料的接收板上，接收板随运动平台进行可控运动，下降的高度是纺丝纤维直径的一半，随后打开分布在纺丝喷头两侧的面光源，使光固化材料固化，纤维嵌进光固化材料中，以固定第一层纤维，完成后关闭面光源，随后将纤维与光固化材料相结合的光固化模型取出置于溶剂中并加超声震动溶解纤维，当纤维完全溶解后将模型取出，得到平面结构的微流控芯片，平面结构的微流控芯片的通道直径与纺丝纤维直径一致。

4.根据权利要求1所述的基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法，其特征在于：纤维为连续纤维，经溶剂溶解过后内部流道均与出口连通。

5.根据权利要求1所述的基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法，其特征在于：层间纤维直径不同。

6.根据权利要求1所述的基于纳米纤维模板法的微流控芯片制作方法，其特征在于：微流控芯片通道直径可平缓过渡。