CN108893411A - 基于光固化打印的微流控芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于光固化打印的微流控芯片及其制造方法。现有微流控芯片的制备技术难度大、操作技术要求高，制备周期长，设备昂贵。本发明基于光固化打印的微流控芯片，包括顶板、底板和芯片主体。所述的芯片主体由依次叠置的浓度梯度芯片、键合薄膜、细胞培养芯片组成。所述的浓度梯度芯片及细胞培养芯片的外侧面均呈外凸的圆弧形。浓度梯度芯片的内侧面上开设有缓冲液孔、营养液孔、第一出液孔、电阻片安置槽、n个蓄液孔、n条曲折流道和n‑2条连接流道，2≤n≤10。键合薄膜上开设有第一通液孔和n个第二通液孔。本发明通过一种加膜挤压式的键合方式，解决了光敏树脂芯片组合时的泄漏问题。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种基于光固化打印的模块化浓度梯度微流控芯片及其制造方法。
背景技术
微流控芯片具有良好的光学特性，无色，透明，无毒，廉价，耐用，具有一定的化学隋性和透光性等优点，在生物医学、环境检测、食品安全、材料制备等领域广泛应用。现有的微流控芯片制备工易通常采用先制备模具，再倒模的思路，通过制备掩膜版、甩胶、光刻、显影等复杂工艺完成微流控模具制造，然后通过不同材料倒模、脱模得到所需芯片基片。这套工艺需要在净化间内完成，其制备技术难度大、操作技术要求高，制备周期长，设备昂贵，严重制约其规模化生产和应用，同时也制约了芯片设计的灵活性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光固化打印的模块化浓度梯度微流控芯片及其制造方法。
本发明基于光固化打印的微流控芯片，包括顶板、底板和芯片主体。所述的芯片主体由依次叠置的浓度梯度芯片、键合薄膜、细胞培养芯片组成。所述的浓度梯度芯片及细胞培养芯片的外侧面均呈外凸的圆弧形。
所述浓度梯度芯片的内侧面上开设有缓冲液孔、营养液孔、第一出液孔、电阻片安置槽、n个蓄液孔、n条曲折流道和n-2条连接流道，2≤n≤10。缓冲液孔、营养液孔、第一出液孔及n个蓄液孔均为通孔。第一条曲折流道的两端与缓冲液孔、第一个蓄液孔分别连通。其余n-1条曲折流道的一端均与缓冲液孔连通，另一端与其余n-1个蓄液孔分别连通。
第i条曲折流道与第i+1条曲折流道通过第i条连接流道连通，i＝1,2,…,n-2。第j+1条曲折流道、第j条连接流道的连通处位于第j+1条曲折流道、第j+1条连接流道的连通处与缓冲液孔之间，j＝1,2,…,n-3。
所述的键合薄膜上开设有第一通液孔和n个第二通液孔。第一通液孔与浓度梯度芯片上的第一出液孔对齐。n个第二通液孔与浓度梯度芯片上的n个蓄液孔分别对齐。
所述细胞培养芯片的内侧面上开设有第二出液孔、n个进液孔和n个细胞培养槽。n个进液孔为盲孔。第二出液孔与键合薄膜上的第一通液孔对齐。n个进液孔与键合薄膜上的n个第二通液孔分别对齐。n个进液孔与n个细胞培养槽分别连通。n个细胞培养槽均与第二出液孔连通。
所述的芯片主体设置在顶板与底板之间。顶板与浓度梯度芯片的外侧面接触。底板与细胞培养芯片的外侧面接触。顶板与底板固定在一起。顶板上开设有第一让位孔、两个第二让位孔和n个第三让位孔。第一让位孔与浓度梯度芯片上的第一出液孔对齐。两个第二让位孔与浓度梯度芯片上的缓冲液孔、营养液孔分别对齐。n个第三让位孔与浓度梯度芯片上的n个蓄液孔分别对齐。
进一步地，所述顶板的两侧边缘各开设有五个第一固定孔。底板的两侧边缘各开设有五个第二固定孔。顶板上的十个第一固定孔与底板的十个第二固定孔分别通过螺栓螺母固定。
进一步地，所述的电阻片安置槽内嵌有电阻片。
进一步地，所述顶板及底板的材质均为有机玻璃。所述浓度梯度芯片及细胞培养芯片的材质均为透明光敏树脂。所述键合薄膜的材质为二甲基硅氧烷。
进一步地，所述键合薄膜的厚度为200um。
进一步地，所述浓度梯度芯片及细胞培养芯片外侧面的最凸处与两侧边缘沿浓度梯度芯片厚度方向的距离为0.4mm。
该基于光固化打印的微流控芯片的制造方法具体如下：
步骤一、建立浓度梯度芯片及细胞培养芯片的三维模型。
步骤二、3D打印出浓度梯度芯片及细胞培养芯片。
步骤三、将步骤二打印出的浓度梯度芯片及细胞培养芯片浸没在异丙醇液体中a时间后取出，10min≤a≤30min。再将从异丙醇液体中取出的浓度梯度芯片及细胞培养芯片浸没在乙醇溶液中5-10分钟。之后取出浓度梯度芯片及细胞培养芯片晾干。
步骤四、通过切割及打孔的方式加工出顶板和底板。
步骤五、在细胞培养芯片的内侧面上铺设键合薄膜。将浓度梯度芯片的内侧面贴合到键合薄膜上。得到芯片主体。
步骤六、将芯片主体放置到步骤四加工出的顶板与底板之间。并将顶板与底板固定在一起。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明针对所打印的光敏树脂芯片组合时的泄漏问题，提出了一种加膜挤压式的键合方式，很好的解决了芯片泄漏问题。
2、本发明采用光固化3D打印技术制造了一种组合式的细胞分浓度培养微流控芯片，通过数字化建模后，直接打印微流控芯片基片，极大简化了芯片的制备工艺，相比于现有微流控加工技术，具有工艺简单、制备周期短、成本低廉、所需设备少、可定制性强等优点。
3、本发明制备的微流控芯片采用了多芯片组合的思想，设计了一种浓度梯度芯片及细胞培养芯片，通过键合两种芯片，实现了在一个芯片内实现细胞的分浓度培养，提高了芯片功能的集成度。
4、本发明制备加工方便,无需采用光刻等复杂工艺设备，省却了大量繁琐的微加工工艺设计更加灵活，生产制备周期显著缩短可以快速批量生产，成本极低其模板，所用耗材少操作方便，非专业人员亦可以迅速掌握。
附图说明
图1为本发明的正面示意图；
图2为本发明中芯片主体的爆炸视图；
图3为本发明中浓度梯度芯片的立体图；
图4为本发明中细胞培养芯片的立体图；
图5为本发明中顶板的立体图；
图6为本发明中底板的立体图；
图7为本发明的使用示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，基于光固化打印的微流控芯片，包括顶板1、底板2和芯片主体。芯片主体由依次叠置的浓度梯度芯片3、键合薄膜4、细胞培养芯片5组成。顶板1及底板2的材质均为有机玻璃。浓度梯度芯片3及细胞培养芯片5的材质均为透明光敏树脂。键合薄膜4的材质为二甲基硅氧烷(PDMS)。键合薄膜4的厚度为200um。浓度梯度芯片3及细胞培养芯片5的外侧面均呈外凸的圆弧形。浓度梯度芯片3及细胞培养芯片5外侧面最凸处与两侧边缘沿浓度梯度芯片3厚度方向的距离为0.4mm(即浓度梯度芯片3及细胞培养芯片5的外侧面均凸起0.4mm)。
如图2和3所示，浓度梯度芯片3的内侧面上开设有缓冲液孔3-1、营养液孔3-2、第一出液孔3-3、电阻片安置槽3-4、六个蓄液孔3-5、六条曲折流道3-6和四条连接流道3-7。电阻片安置槽3-4内嵌有电阻片。缓冲液孔3-1、营养液孔3-2、第一出液孔3-3及六个蓄液孔3-5均为通孔。第一条曲折流道3-6的两端与缓冲液孔3-1、第一个蓄液孔3-5分别连通。其余五条曲折流道3-6的一端均与缓冲液孔3-1连通，另一端与其余五个蓄液孔3-5分别连通。
第i条曲折流道3-6与第i+1条曲折流道3-6通过第i条连接流道3-7连通，i＝1,2,3,4。第j+1条曲折流道3-6、第j条连接流道3-7的连通处位于第j+1条曲折流道3-6、第j+1条连接流道3-7的连通处与缓冲液孔3-1之间，j＝1,2,3。
键合薄膜4上开设有第一通液孔和六个第二通液孔。第一通液孔与浓度梯度芯片3上的第一出液孔3-3对齐。六个第二通液孔与浓度梯度芯片3上的六个蓄液孔3-5分别对齐。
如图2和4所示，细胞培养芯片5的内侧面上开设有第二出液孔5-1、六个进液孔5-2和六个细胞培养槽5-3。第二出液孔5-1为通孔。六个进液孔5-2为盲孔。第二出液孔5-1与键合薄膜4上的第一通液孔对齐。六个进液孔5-2与键合薄膜4上的六个第二通液孔分别对齐。六个进液孔5-2与六个细胞培养槽5-3的顶部分别连通。六个细胞培养槽5-3的顶部均与第二出液孔5-1连通。
如图1、5、6和7所示，芯片主体设置在顶板1与底板2之间。顶板1与浓度梯度芯片3的外侧面接触。底板2与细胞培养芯片5的外侧面接触。顶板1的两侧边缘各开设有五个第一固定孔。底板2的两侧边缘各开设有五个第二固定孔。顶板1上的十个第一固定孔与底板2的十个第二固定孔分别通过螺栓螺母固定。顶板1上开设有第一让位孔1-1、两个第二让位孔1-2和六个第三让位孔1-3。第一让位孔1-1与浓度梯度芯片3上的第一出液孔3-3对齐。两个第二让位孔1-2与浓度梯度芯片3上的缓冲液孔3-1、营养液孔3-2分别对齐。六个第三让位孔1-3与浓度梯度芯片3上的六个蓄液孔3-5分别对齐。
键合薄膜4能够通过自身的变形填充来浓度梯度芯片3、细胞培养芯片5内侧面的凹凸不平处，避免液体从连接处泄露的问题。浓度梯度芯片3及细胞培养芯片5呈外凸弧形的外侧面能够引导底板2和顶板1弯曲变形，从而增大底板2与顶板1对芯片主体的挤压力，保证浓度梯度芯片3、细胞培养芯片5与键合薄膜4连接的紧密性。
该基于光固化打印的微流控芯片的制造方法具体如下：
步骤一、通过三维设计软件建立浓度梯度芯片3及细胞培养芯片5的三维模型。
步骤二、根据步骤一所得的三维模型，用光固化3D打印设备打印出浓度梯度芯片3及细胞培养芯片5。
步骤三、将步骤二打印出的浓度梯度芯片3及细胞培养芯片5浸没在异丙醇液体中20分钟后取出。再将从异丙醇液体中取出的浓度梯度芯片3及细胞培养芯片5浸没在浓度为95％的乙醇溶液中5-10分钟，以清除表面残余异丙醇液体。
取出浓度梯度芯片3及细胞培养芯片5晾干后去除打印支撑物。之后在浓度梯度芯片3的电阻片安置槽3-4内嵌入温控电阻片。
步骤四、通过切割及打孔的方式加工出顶板1和底板2。
步骤五、在细胞培养芯片5的内侧面上铺设键合薄膜4。将浓度梯度芯片3的内侧面贴合到键合薄膜4上。得到芯片主体。
步骤六、将芯片主体放置到步骤四加工出的顶板1与底板2之间。并用螺栓螺母将顶板1与底板2固定在一起，使得顶板1和底板2挤压芯片主体。
该基于光固化打印的微流控芯片的使用方法如下：
步骤一、拆开该基于光固化打印的微流控芯片，并在细胞培养芯片5的细胞培养槽5-3中放入预先培养的细胞。之后重新组装该基于光固化打印的微流控芯片。
步骤二、在第一微注射器6内装入磷酸缓冲液，在第二微注射器7内装入营养液。将第一微注射器6的注射头与浓度梯度芯片3上的缓冲液孔3-1通过第一细软管8连通。将第二微注射器7的注射头与浓度梯度芯片3上的营养液孔3-2通过第二细软管9连通。将第三细软管10的一端与浓度梯度芯片3上第一出液孔3-3连通。此时该微流控芯片的状态如图7所示。
步骤三、温控电阻片通电加热，从而控制细胞培养槽5-3的温度。
步骤四、向浓度梯度芯片3上的缓冲液孔3-1注入磷酸缓冲液。向浓度梯度芯片3上的营养液孔3-2注入营养液。六个细胞培养槽5-3内均有液体进入。第一个蓄液孔3-5至第六个蓄液孔3-5内营养液的浓度比为16：8：4：2：1：0，从而为六个细胞培养槽5-3提供不同浓度的营养液，实现细胞的一步式分浓度培养。
Claims (7)
1.基于光固化打印的微流控芯片，包括顶板、底板和芯片主体；其特征在于：所述的芯片主体由依次叠置的浓度梯度芯片、键合薄膜、细胞培养芯片组成；所述的浓度梯度芯片及细胞培养芯片的外侧面均呈外凸的圆弧形；
所述浓度梯度芯片的内侧面上开设有缓冲液孔、营养液孔、第一出液孔、电阻片安置槽、n个蓄液孔、n条曲折流道和n-2条连接流道，2≤n≤10；缓冲液孔、营养液孔、第一出液孔及n个蓄液孔均为通孔；第一条曲折流道的两端与缓冲液孔、第一个蓄液孔分别连通；其余n-1条曲折流道的一端均与缓冲液孔连通，另一端与其余n-1个蓄液孔分别连通；
第i条曲折流道与第i+1条曲折流道通过第i条连接流道连通，i＝1,2,…,n-2；第j+1条曲折流道、第j条连接流道的连通处位于第j+1条曲折流道、第j+1条连接流道的连通处与缓冲液孔之间，j＝1,2,…,n-3；
所述的键合薄膜上开设有第一通液孔和n个第二通液孔；第一通液孔与浓度梯度芯片上的第一出液孔对齐；n个第二通液孔与浓度梯度芯片上的n个蓄液孔分别对齐；
所述细胞培养芯片的内侧面上开设有第二出液孔、n个进液孔和n个细胞培养槽；n个进液孔为盲孔；第二出液孔与键合薄膜上的第一通液孔对齐；n个进液孔与键合薄膜上的n个第二通液孔分别对齐；n个进液孔与n个细胞培养槽分别连通；n个细胞培养槽均与第二出液孔连通；
所述的芯片主体设置在顶板与底板之间；顶板与浓度梯度芯片的外侧面接触；底板与细胞培养芯片的外侧面接触；顶板与底板固定在一起；顶板上开设有第一让位孔、两个第二让位孔和n个第三让位孔；第一让位孔与浓度梯度芯片上的第一出液孔对齐；两个第二让位孔与浓度梯度芯片上的缓冲液孔、营养液孔分别对齐；n个第三让位孔与浓度梯度芯片上的n个蓄液孔分别对齐。
2.根据权利要求1所述的基于光固化打印的微流控芯片，其特征在于：所述顶板的两侧边缘各开设有五个第一固定孔；底板的两侧边缘各开设有五个第二固定孔；顶板上的十个第一固定孔与底板的十个第二固定孔分别通过螺栓螺母固定。
3.根据权利要求1所述的基于光固化打印的微流控芯片，其特征在于：所述的电阻片安置槽内嵌有电阻片。
4.根据权利要求1所述的基于光固化打印的微流控芯片，其特征在于：所述顶板及底板的材质均为有机玻璃；所述浓度梯度芯片及细胞培养芯片的材质均为透明光敏树脂；所述键合薄膜的材质为二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的基于光固化打印的微流控芯片，其特征在于：所述键合薄膜的厚度为200um。
6.根据权利要求1所述的基于光固化打印的微流控芯片，其特征在于：所述浓度梯度芯片及细胞培养芯片外侧面的最凸处与两侧边缘沿浓度梯度芯片厚度方向的距离为0.4mm。
7.如权利要求1所述的基于光固化打印的微流控芯片的制造方法，其特征在于：步骤一、建立浓度梯度芯片及细胞培养芯片的三维模型；
步骤二、3D打印出浓度梯度芯片及细胞培养芯片；
步骤三、将步骤二打印出的浓度梯度芯片及细胞培养芯片浸没在异丙醇液体中a时间后取出，10min≤a≤30min；再将从异丙醇液体中取出的浓度梯度芯片及细胞培养芯片浸没在乙醇溶液中5-10分钟；之后取出浓度梯度芯片及细胞培养芯片晾干；
步骤四、通过切割及打孔的方式加工出顶板和底板；
步骤五、在细胞培养芯片的内侧面上铺设键合薄膜；将浓度梯度芯片的内侧面贴合到键合薄膜上；得到芯片主体；
步骤六、将芯片主体放置到步骤四加工出的顶板与底板之间；并将顶板与底板固定在一起。
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