CN107283859A - 一种通过3d打印制备分形结构微通道的方法 - Google Patents

一种通过3d打印制备分形结构微通道的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种通过3D打印制备分形结构微通道的方法，包括：1)由计算机绘图软件绘制，并由3D打印机打印出对应的分形结构骨架；2)将所述分形结构骨架固定在培养皿中，并注入聚二甲基硅氧烷溶液至一定高度；3)真空抽取所述聚二甲基硅氧烷溶液中的气泡，加热固化；4)利用溶剂溶解所述分形结构骨架，形成分形结构微通道。本发明制备工艺简单，无需复杂的仪器和严格地实验室条件，可以多层复杂结构微通道并且不需要组装多个部件，特别适合微流控技术中对复杂结构通道的快速、低成本、大批量制作。

Description

一种通过3D打印制备分形结构微通道的方法
技术领域
本发明属于微加工领域，特别是涉及一种通过3D打印制备分形结构微通道的方法。
背景技术
微流控技术是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料以及生物学和生物医学工程的新兴交叉学科，具有集成化、微型化的特征。由于微纳尺度下，流体之间的传热传质效率较高且易于控制，所以微流控技术被广泛应用于有机合成、微反应器和化学分析中。除此之外，微流控技术在生物医学领域，如：萃取提纯、病毒及细胞或大分子的分离与检测以及疾病的快速诊断方面具有显著的优势。同时具有分形结构的微通道更是由于自身的自相似性以及较大的比表面积和仿生学设计可以进一步提高系统的传热传质能力同时降低流体流动过程中的压降，所以具有分形结构的微通道在生物医学工程等领域有较大的潜在应用。
目前用于微通道制备的材料有很多，包括硅、玻璃、金属、聚甲酸丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)在内各种有机无机材料。针对不同的材料和用途其加工方法也有所不同，例如硅和玻璃材料上主要通过光刻和蚀刻技术；聚合物类材料的加工则主要通过软光蚀刻技术。除此之外，常见的微通道制备方法还有湿法蚀刻、干法蚀刻、激光蚀刻、机械加工、注塑加工等等。
但是基于以上加工方法的微通道制备技术，其制备工艺对衬底表面质量要求苛刻、制作工艺复杂、有的甚至需要昂贵的曝光和蚀刻设备，成本较高，成品率较低。同时，例如机械加工等方法对于直通道或者规则通道的制备较为简单却很难制备具有分形不规则形状的微通道，同时传统的制备方法也很难制备多层复杂结构微通道的制备。因此，针对复杂的分形结构微通道的制备急需发展一种简单的、易操作的、精度较高的加工方法。从而可以在实验室条件下低成本的批量生产具有分形结构的微通道。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种通过3D打印制备分形结构微通道的方法，用于解决现有技术中对复杂分形结构微通道制备的较难实现、工艺复杂、成本较高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种通过3D打印制备分形结构微通道的方法，所述方法至少包括：
(i)由计算机绘图软件绘制，并由3D打印机打印出对应的分形结构骨架；
(ii)将所述分形结构骨架固定在培养皿中，并注入聚二甲基硅氧烷溶液至一定高度；
(iii)真空抽取所述聚二甲基硅氧烷溶液中的气泡，加热固化；
(iv)利用溶剂溶解所述分形结构骨架，形成分形结构微通道。
作为本发明通过3D打印制备分形结构微通道的方法的一种优化的方案，所述步骤1)中利用SLA或FDM打印方式打印出对应的分形结构骨架，获得的所述分形结构骨架服从Murray定律。
作为本发明通过3D打印制备分形结构微通道的方法的一种优化的方案，所述分形结构骨架包括分形结构骨架主体和与所述分形结构骨架主体连接的垂直结构，所述垂直结构伸出所述聚二甲基硅氧烷溶液液面之外。
作为本发明通过3D打印制备分形结构微通道的方法的一种优化的方案，所述分形结构骨架的材料为聚乳酸、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物或者聚乙烯醇。
作为本发明通过3D打印制备分形结构微通道的方法的一种优化的方案，所述聚二甲基硅氧烷溶液为重量比10:1的基本组分和固化剂的混合液。
作为本发明通过3D打印制备分形结构微通道的方法的一种优化的方案，所述基本组分为道康宁公司生产的SYLGARD 184硅橡胶双组份套件产品中的A组分，所述固化剂为道康宁公司生产的SYLGARD 184硅橡胶双组份套件产品中的B组分。
作为本发明通过3D打印制备分形结构微通道的方法的一种优化的方案，所述步骤2) 中，将所述分形结构骨架固定在所述培养皿中之后，所述分形结构骨架主体距离所述培养皿上下两个面一定距离，注入所述聚二甲基硅氧烷溶液后，所述聚二甲基硅氧烷溶液将所述分形结构骨架主体包裹，所述垂直结构伸出所述聚二甲基硅氧烷溶液液面之外。
作为本发明通过3D打印制备分形结构微通道的方法的一种优化的方案，所述步骤3) 中，通过烘箱进行加热固化处理，加热固化温度80-180℃，固化时间为20-60min。
作为本发明通过3D打印制备分形结构微通道的方法的一种优化的方案，所述步骤4)中的溶剂溶解所述分形结构骨架，同时不与固化后的聚二甲基硅氧烷发生反应，所述溶剂根据所述分形结构骨架的材料选择，为有机溶剂或者水。
作为本发明通过3D打印制备分形结构微通道的方法的一种优化的方案，所述步骤5) 中，所述分形结构微通道尺寸在100～1000微米
如上所述，本发明的通过3D打印制备分形结构微通道的方法，包括：1)由计算机绘图软件绘制，并由3D打印机打印出对应的分形结构骨架；2)将所述分形结构骨架固定在培养皿中，并注入聚二甲基硅氧烷溶液至一定高度；3)真空抽取所述聚二甲基硅氧烷溶液中的气泡，加热固化；4)利用溶剂溶解所述分形结构骨架，形成分形结构微通道。本发明制备工艺简单，无需复杂的仪器和严格地实验室条件，可以快速、高效、成批量生产具有分形结构的微通道。
附图说明
图1为本发明通过3D打印制备分型结构微通道的流程图。
图2为本发明步骤1)获得的3D打印分形结构骨架示意图。
11.第一垂直支撑，111.第二垂直支撑，12.分形结构骨架主体。
图3为本发明步骤2)中向固定有分形结构骨架的培养皿中加入PDMS溶液的示意图。
21.分形结构骨架连同主体与支撑，22.分形结构固定处，23.10:1配比的PDMS溶液，24. 培养皿。
图4为本发明获得的基于PDMS的分形结构微通道示意图。
31.分形结构微通道，32.固化的PDMS凝胶。
图5及图6为本发明多层分形结构微通道的制备示意图。
41.第一分形结构骨架支撑结构，411.第二分形结构骨架支撑，42.第一多层分形结构骨架，43.第二多层分形结构骨架，44.多层分形结构上下层连接骨架，45.多层分形结构微通道，46.固化的PDMS凝胶。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种通过3D打印制备分形结构微通道的方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
首先执行步骤S1，由计算机绘图软件绘制，并由3D打印机打印出对应的分形结构骨架。
本步骤中，所述分形结构骨架的尺寸优先的服从Murray定律，其总体尺寸根据培养皿的容积确定。打印获得的分形结构骨架的材料应具有良好的耐热性和一定的机械强度并能够通过后处理被溶解掉，可以为聚乳酸(PLA)、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)以及聚乙烯醇(PVA)等高聚物材料。打印方式也是根据不同的材料可以选择FDM(FusedDeposition Modeling)或SLA(光固化成型)打印方式。同时，所述分形结构骨架包括分形结构骨架主体和与所述分形结构骨架主体连接的垂直结构，所述垂直结构应具有一定的长度，可以伸出所述聚二甲基硅氧烷溶液液面之外。所述垂直结构可以在骨架溶解去除之后形成微通道的进出口。打印完成后的分形结构骨架应将表面支撑去除干净，保证骨架表面的粗糙度在允许的范围内，防止后续制备的微通道内部粗糙度过大。
然后执行步骤S2，将所述分形结构骨架固定在培养皿中，并注入聚二甲基硅氧烷溶液 (PDMS溶液)至一定高度。
具体地，将所述分形结构骨架固定在所述培养皿中之后，所述分形结构骨架主体距离所述培养皿上下两个面一定距离，注入所述聚二甲基硅氧烷溶液后，所述分形结构骨架主体应被完全包裹在PDMS溶液中，与分形结构骨架主体连接的垂直结构应伸出PDMS液面之外。
更具体地，所述聚二甲基硅氧烷溶液为重量比10:1的基本组分和固化剂的混合液。优选地，所述聚二甲基硅氧烷溶液为Dow Corning(道康宁)公司生产的184有机硅弹性体，双组份，按体积比10:1配比制得，即所述基本组分为道康宁公司生产的SYLGARD 184硅橡胶双组份套件产品中的A组分，所述固化剂为道康宁公司生产的 SYLGARD184硅橡胶双组份套件产品中的B组分。
接着执行步骤S3，真空抽取所述聚二甲基硅氧烷溶液中的气泡，加热固化。
将所述PDMS溶液注入培养皿后，需要经过真空抽气处理，排出PDMS溶液内部的气泡。具体地，将培养皿静置于真空环境中并通过真空泵向外抽气，使得分散在溶液中的气泡均浮于PDMS表面后除去，从而使加热固化后形成的固体中没有气泡存在。经过真空处理后的PDMS溶液需要经过烘箱加热处理，使PDMS溶液固化形成具有一定强度的PDMS凝胶，并且温度不宜过高，防止3D打印的分形结构骨架变形，具体的温度可以根据微通道硬度的不同选择合适的温度与固化时间，作为优选的方案，可以设置固化温度为80-180℃，固化时间为20-60min。
最后执行步骤S4，利用溶剂溶解所述分形结构骨架，形成分形结构微通道。
进行步骤S3后，将固化后的PDMS凝胶连同3D打印分形结构骨架一起从培养皿中剥下，剥离过程中要保证PDMS固体不受损坏。等温度降至室温后，使用适当的溶剂溶解所述分形结构骨架，形成所需的分形结构微通道。
所述溶剂用来溶解所述分形结构骨架，同时不与固化后形成的聚二甲基硅氧烷凝胶发生任何物理化学反应，即溶剂可以溶解3D打印材料却不对微通道以及微通道的载体PDMS凝胶产生任何影响。所述溶剂根据所述分形结构骨架的材料选择，为有机溶剂或者水。例如，当打印的分形结构骨架为ABS和PLA时，可以选择丙酮作为溶剂，当打印的分形结构骨架为PVA材料时，可以选择95℃以上的热水作为溶剂。
形成微通道后，可以通过空气泵入处理去除多余物质。空气泵需要有足够的压力并且能够泵出足够清洁的空气，应该能够排出微通道中由于溶剂溶解骨架后形成的杂质，并且不对微通道自身有任何损坏。
所述的微通道尺寸在100～1000微米，具体的根据实际要求和3D打印精度决定。微通道制作过程简单、快速，可以制备多层复杂分形结构微通道，且对环境要求较低，技术难度较低。特别适合复杂分形结构微通道的批量高效生产。
下面通过两个具体的实施例来说明本发明通过3D打印制备分形结构微通道的方法。
实施例一
请参阅图2至图4，本实施例提供了一种通过3D打印制备单层分形结构微通道的方法，所述通过3D打印制备分形结构的微通道的过程如下：首先利用计算机绘制出单层楔形分形结构骨架。如图2所示，所涉及的分形结构骨架其厚度为1mm，分形结构由2级分叉，5个不同长度的骨架组成，长度分别为20mm，15.8mm，12.5mm，9.9mm，7.9mm，宽度均为 1mm。在骨架两端，长度为20mm的一根分支上远离骨架中心的第一终端上连接有与分形结构骨架主体12所在平面相垂直的第一垂直支撑11，其长度为50mm，并且一端连接在所述分形结构骨架上。在与第一终端对应的第二终端上，连接有第二垂直支撑111，其长度为 50mm，伸长方向与所述第一垂直支撑11一致。
将所述分形结构骨架主体连同所述第一垂直支撑和第二垂直支撑图纸，通过.stl文件格式导入Magics 19.0中进行切片分析。并使用FDM打印机打印出3D打印分形结构骨架，打印材料为ABS。打印完成，将所述3D打印结构骨架取出，去除表面3D打印支撑件，并对表面进行抛光。
将所述3D打印分形结构骨架材料固定在培养皿24中，培养皿24尺寸优选的为直径为 100mm，高度为20mm。将3D打印的分形结构骨架固定在所述培养皿24中，如图3所示，优选的所述3D打印的分形结构骨架主体上表面距离培养皿上平面9mm，下表面距离培养皿底面9mm，所述第一垂直支撑距离培养皿内壁面距离为9.9mm，所述第二垂直支撑距离培养皿内壁面距离也为9.9mm。
向所述培养皿24中添加PDMS溶液23，所述PDMS溶液23优选的选择Dow Corning 公司生产的184有机硅弹性体，双组份比例为10:1混合均匀。所述PDMS溶液用量为倒入培养皿后距离培养皿上边缘1mm处，静置。
将所述培养皿24连同PDMS溶液23、3D打印分形结构骨架置于真空机器中，抽真空。抽空时间为10min，优选的使PDMS溶液中气泡全部排出。继而取出所述PDMS溶液，放置于烘箱中，烘箱温度设置120℃，加热时间设定20min。
将所述分形结构微通道制备装置取出，冷却至室温。PDMS经加热后变成固体凝胶，将所述PDMS固体连带3D打印ABS材料分形结构骨架一起从培养皿中剥离。此时，3D打印分形结构骨架被PDMS固体所包裹，所述第一垂直支撑与所述第二垂直支撑均有部分被 PDMS包裹。
将所述PSMS固体连带3D打印ABS材料分形结构骨架一起放置于大烧杯中，向所述大烧杯中添加丙酮试剂，至所述3D打印ABS材料分形结构骨架完全溶解形成相应的楔形分形结构微通道31，取出所述PDMS固体32。
将所述PDMS固体清水洗涤，并利用空气泵吹净微通道内多余的物质，使得所制备的微通道内表面较为光滑，制得具有楔形分形结构的微通道31，如图4所示。
实施例二
请参阅图5和图6，本实施例提供了一种多层分形结构微通道的制备方法，所述多层结构微通道的制备方法包括：3D打印双层分形结构骨架，所述双层分形结构骨架通过计算机绘制得到。如图5所示，优选的，其由7级分支组成，呈“H型”结构，其长度分别为：50 mm、38.7mm、31.7mm、25.2mm、20mm、15.9mm、12.6mm，宽度分别为3mm、2.38 mm、1.89mm、1.50mm、1.19mm、0.94mm、0.75mm，厚度均为1mm。
所述的双层分形结构骨架包括第一“H型”分形骨架平面42和第二“H型”分形骨架平面43，两个分形平面之间通过垂直连接骨架44进行连接，垂直连接骨架44的长度为2mm。所述括第一“H型”分形骨架平面42，其长度为50mm的主干远离分形结构骨架中心的一端连接有与第一“H型”分形骨架平面42相垂直的第一垂直支撑结构41，其为直径3mm，高度为25mm的圆柱体，伸长方向为远离所述第二“H型”分形骨架平面43。在所述第二“H 型”分形骨架平面43，其长度为50mm的主干远离分形结构骨架中心的一端连接有与第二“H型”分形骨架平面43相垂直的第二垂直支撑结构411，其为直径3mm，长度3mm的圆柱。其伸长方向与所述第一垂直支撑结构41相反。
作为示例，如实施例一中所述，所述双层“H型”使用ABS材料通过FDM方式打印及后处理，具体方式请参阅具体实施例一中所述，此处不再赘述。将所打印好的双层“H型”分形结构骨架放置于培养皿中，使所述第二垂直支撑411触碰到培养皿底面。将所述第一垂直支撑41固定在培养皿上表面。
作为示例，如具体实施例一中所述，向所述培养皿中添加配比10：1的PDMS溶液，后续抽真空加热工序均可参照具体实施例一中所述，此处不再累赘。
作为示例，将固化后的PDMS连同3D打印双层分形结构骨架一起从培养皿中剥离。确认所述第二垂直支撑411是否露出所述PDMS固体底面所覆盖，如未露出则需要使用刮刀等工具将所述第二垂直支撑411底面对面位置削去使得所述第二垂直支撑411与外界想通。
作为示例，如具体实施例一中所述，将所述PDMS固体放置于大烧杯中，添加丙酮使得 3D打印ABS材料双层分形结构骨架连带垂直连接骨架44、所述第一垂直支撑41、第二垂直支撑411溶解形成双层分形结构微通道45。
作为示例，如具体实施例一中所述，将所述双层分形结构微通道进行空气泵去除多于物质处理，具体方法请参考具体实施例一所述。形成双层分形结构微通道45以及PDMS固体，如图6所示。
综上所述，本发明提供一种通过3D打印制备分形结构微通道的方法，所述通过3D打印制备分形结构微通道的制备方法包括：通过计算机绘制所需的微通道形状，并通过适当的 3D打印方式制造出对应的分形结构骨架。将所述具有分形结构的骨架固定在所述培养皿中，并向所述培养皿中添加配比为10:1的PDMS溶液，经过静置、真空抽气、加热等工序使所述PDMS溶液发生固化。将所述固化后的PDMS固体连带3D打印分形结构骨架一起放置于大烧杯中，向所述大烧杯中加入适当的溶剂使3D打印分形结构骨架溶解形成相应的具有分形结构的微通道，并通过空气泵等工序去除微通道中多余杂质形成所需的基于PDMS的分形结构微通道。
本发明提出的一种通过3D打印制备分形结构微通道的方法，可以与微流控技术相结合，为复杂结构微通道的制备提供一种快速、高效的制备方法。不需要复杂的仪器与苛刻的实验条件，本发明所提供的方法可以成批量、低成本的生产具有分形结构的微通道。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种通过3D打印制备分形结构微通道的方法，其特征在于，所述方法至少包括：
1)由计算机绘图软件绘制，并由3D打印机打印出对应的分形结构骨架；
2)将所述分形结构骨架固定在培养皿中，并注入聚二甲基硅氧烷溶液至一定高度；
3)真空抽取所述聚二甲基硅氧烷溶液中的气泡，加热固化；
4)利用溶剂溶解所述分形结构骨架，形成分形结构微通道。
2.根据权利要求1所述的通过3D打印制备分形结构微通道的方法，其特征在于：所述步骤1)中利用SLA或FDM打印方式打印出对应的分形结构骨架，获得的所述分形结构骨架服从Murray定律。
3.根据权利要求1所述的通过3D打印制备分形结构微通道的方法，其特征在于：所述分形结构骨架包括分形结构骨架主体和与所述分形结构骨架主体连接的垂直结构，所述垂直结构伸出所述聚二甲基硅氧烷溶液液面之外。
4.根据权利要求1所述的通过3D打印制备分形结构微通道的方法，其特征在于：所述分形结构骨架的材料为聚乳酸、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物或者聚乙烯醇。
5.根据权利要求1所述的通过3D打印制备分形结构微通道的方法，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷溶液为重量比10:1的基本组分和固化剂的混合液。
6.根据权利要求5所述的通过3D打印制备分形结构微通道的方法，其特征在于：所述基本组分为道康宁公司生产的SYLGARD 184硅橡胶双组份套件产品中的A组分，所述固化剂为道康宁公司生产的SYLGARD 184硅橡胶双组份套件产品中的B组分。
7.根据权利要求3所述的通过3D打印制备分形结构微通道的方法，其特征在于：所述步骤2)中，将所述分形结构骨架固定在所述培养皿中之后，所述分形结构骨架主体距离所述培养皿上下两个面一定距离，注入所述聚二甲基硅氧烷溶液后，所述聚二甲基硅氧烷溶液将所述分形结构骨架主体包裹，所述垂直结构伸出所述聚二甲基硅氧烷溶液液面之外。
8.根据权利要求1所述的通过3D打印制备分形结构微通道的方法，其特征在于：所述步骤3)中，通过烘箱进行加热固化处理，加热固化温度80-180℃，固化时间为20-60min。
9.根据权利要求1所述的通过3D打印制备分形结构微通道的方法，其特征在于：所述步骤4)中的溶剂溶解所述分形结构骨架，同时不与固化后的聚二甲基硅氧烷发生反应，所述溶剂根据所述分形结构骨架的材料选择，为有机溶剂或者水。
10.根据权利要求1所述的通过3D打印制备分形结构微通道的方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述分形结构微通道尺寸在100～1000微米。
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