CN109395787A - 一种基于三维打印的快速制作微流道的方法 - Google Patents

一种基于三维打印的快速制作微流道的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于微流道制作技术领域，公开一种基于三维打印快速制作微流道的方法。该方法包括以下具体步骤：S1.利用计算机辅助软件设计出流道的形状，并保存为STL模型；S2.利用切片软件将STL模型转化成三维打印机的打印路径轨迹；S3.按设计轨迹，利用三维打印将PVA水溶性材料打印在打印基板上，制得流道掩模；S4.取下打印基板，在其上浇筑胶水后静置；S5.清洗：待胶水固化后，将整体置入水中超声清洗，使PVA溶解，制得微流道。本发明利用水溶性三维打印材料，通过三维打印技术制作所需微流道掩膜，利用胶水对其进行封装。该方法不需要刻蚀等化学方法，具有灵活性高、成本低、封装效果好等优点。

Description

一种基于三维打印的快速制作微流道的方法
技术领域
本发明属于微流道制作技术领域，更具体地，涉及一种基于三维打印的快速制作微流道的方法。
背景技术
微流体芯片的研究与应用中，首先是微流体芯片的制作，即在石英、玻璃、有机聚合物等材料上加工出各种布局的微流道，再经过加盖片、键合，从而制得芯片。尽管以硅和玻璃为基片的微流体芯片的加工制造逐渐成熟，但目前受到广泛关注的更具有优越性的高聚物有机基材微流体芯片制造处于探索开发阶段。微流体芯片目前推广应用的主要障碍在于芯片的制作成本过高。玻璃制作的微流体芯片，其制作工艺涉及光刻、刻蚀、键合等多项技术，制作成本高，不易于实现批量化生产。聚合物芯片由于易批量生产、低成本，有望替代玻璃和石英芯片进入市场。但目前各研究单位大多采用手工制作聚合物芯片，成本较高，同时芯片的封装工艺不稳定，制作出的微流体芯片一致性较差，难以满足市场的推广应用。
随着现代生物医学工程技术的发展，微流体芯片和芯片实验室受到了越来越广泛的关注。由于该领域各类生物分析的需求十分繁杂，微流体芯片和芯片实验室的定制化设计与制造的重要性愈发凸显。而这种定制化设计制造的复杂性高，已成为微流体芯片推广应用的瓶颈，因而随着三维打印技术的发展，采用三维打印制造微流道及微控芯片越来越可行与方便。
相近似的实现方案：中国专利CN201410112659.6公开了基于3D打印的三维微流控芯片的加工方法及打印装置，其利用糖浆为材料，打印出微流道实体后封装溶解形成微流道。但其需要专门的设计的喷头，并配备高压气来实现材料的挤出，并且熔融的糖浆难以在基板上沉积出精确的轨迹，尤其是在流道的转角处。
目前，用于制作微流体芯片的微加工技术大多继承自半导体工业，其加工过程工序繁多，且依赖于价格高昂的先进设备。在微流体芯片的制作中常用的加工方法包括：硅/聚合物表面微加工、软印、压印、注射成型、激光烧蚀等。这些加工过程都需要在超净间内完成，工序复杂，需占用大量空间，且需要富有经验的设计和加工人员。
近年来，随着三维打印技术的兴起，越来越多的研究者尝试采用三维打印技术直接打印制作微流体芯片，或者打印出可以使用PDMS倒模的微流控芯片的模具。目前发展较快和较为常见的三维打印微流体芯片技术，包括微立体光刻技术、熔融沉积成型技术以及三维喷墨打印技术。但是，目前微粒体光刻技术和三维喷墨打印技术的成本较高，而熔融沉积成型技术直接打印出的微流道的精度不高；且采用PDMS进行倒模的工艺比较复杂，一直面临着封装的难题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明目的在于提供一种基于三维打印的快速制作微流道的方法。
本发明的另一目的在于提供上述方法制备的微流道。
本发明的再一目的在于提供上述微流道的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种基于三维打印的快速制作微流道的方法，包括以下具体步骤：
S1.设计流道：利用计算机辅助软件设计出流道的形状，并保存为STL模型；
S2.生成打印轨迹：利用切片软件将STL模型转化成三维打印机的打印路径轨迹；
S3.加工掩膜：按设计轨迹，利用三维打印将PVA水溶性材料打印在打印基板上，制得流道掩模；
S4.浇筑封装：取下打印基板，在其上浇筑胶水后静置；
S5.清洗：待胶水固化后，将整体置入水中超声清洗，使PVA溶解，制得微流道。
优选地，步骤S3中所述打印基板为玻璃、PMMA或PET。
优选地，步骤S3中所述流道掩膜的宽度为200～300μm。
优选地，步骤S4中所述胶水为树脂胶或紫外线光固化胶。
更为优选地，所述树脂胶为环氧树脂胶AB；所述紫外线光固化胶为蓝田9307，蓝田9308，蓝田9310或蓝田9311。
优选地，步骤S5中所述微流道的结构为直线形、相交直线形、交叉线形、曲线形、单环形或多环形。
优选地，步骤S5中所述超声的功率为30～50kHz，所述超声的水温为70～90℃，所述清洗的时间为8～10h。
所述的基于三维打印的快速制作微流道的方法制备的微流道。
所述的微流道在分析化学领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明中所提出的一种基于三维打印的快速制作微流道方法，所用设备及材料都简便易得，普通的桌面级三维打印机即可满足需求，无需专门设计喷头。并且有水溶性线材可以配套使用。
2.本发明对于微流道的设计可以使用常用的三维建模软件，然后通过三维打印机的切片软件即可生成轨迹，并且在打印过程中，打印轨迹精准，精度可控制到100μm，对于拐角的处理效果好。
3.本发明采用胶水对流道进行封装，封装方法简单可靠，流道的耐压能力强。不需要刻蚀等化学方法，具有灵活性高、成本低、封装效果好等优点。
4.本发明方法工艺简单，成本低，加工周期短。以普通S型流道为例，打印机速度为30mm/s，打印出一个总长度为300mm的流道平均时间约10s，对于大批量生产极为有利，而且打印轨迹多样，可以制作多种流道。
附图说明
图1是本发明工艺流程图。
图2为三维打印过程示意图。
图3为涂胶过程示意图。
图4为清洗后的微流道示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
本发明实施例中使用的紫外线光固化胶蓝田9307，蓝田9308，蓝田9310，蓝田9311购于深圳市特固新材料有限公司。环氧树脂AB胶购于深圳市汇瑞德科技有限公司。
实施例1
图1是本发明工艺流程图，一种基于三维打印的快速制作微流道方法，包括以下步骤：
(1)利用计算机辅助设计软件solidworks设计出Y形微流道的模型，并在流道端点出设计出凸台。
(2)然后将模型存为stl文件格式，导入切片软件中，生成三维打印机的打印路径轨迹，将生成的gcode文件拷贝至三维打印机中，准备打印。
(3)打印材料为PVA水溶性线材，如图2所示，图2为三维打印过程示意图。其中，1-PVA线材，2-打印喷头，3-打印基板。利用FDM式打印机将聚乙烯醇(PVA)按设计轨迹打印在打印基板聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上，做成宽度为200μm的PVA流道掩膜。
(4)图3为涂胶过程示意图，取下沉积了PVA流道掩膜的打印基板后，将环氧树脂胶水浇筑到打印基板PMMA上，把流道完全覆盖，但不要没过流道端点出的凸台。
(5)待胶水固化后，将整个微流控芯片置入超声功率为30kHz，水温为70℃清洗机中清洗8h，直至PVA掩膜完全溶解，取出烘干，制成Y形微流道，如图4所示。
实施例2
(1)利用计算机辅助设计软件solidworks设计出曲线形微流道的模型，并在流道端点出设计出凸台。
(2)然后将模型存为stl文件格式，导入切片软件中，生成三维打印机的打印路径轨迹，将生成的gcode文件拷贝至三维打印机中，准备打印。
(3)利用FDM式打印机将PVA水溶性材料按设计轨迹打印在打印基板聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上，做成宽度为300μm的PVA流道掩膜。
(4)取下沉积了PVA流道掩膜的打印基板后，将紫外线光固化胶蓝田9307浇筑到打印基板PET上，把流道完全覆盖，但不要没过流道端点出的凸台。
(5)待胶水固化后，将整个微流控芯片置入超声功率为50kHz，水温为90℃清洗机中清洗10h，直至PVA掩膜完全溶解，取出烘干，制成曲线形微流道。
实施例3
(1)利用计算机辅助设计软件solidworks设计出单环形微流道的模型，并在流道端点出设计出凸台。
(2)然后将模型存为stl文件格式，导入切片软件中，生成三维打印机的打印路径轨迹，将生成的gcode文件拷贝至三维打印机中，准备打印。
(3)利用FDM式打印机将PVA水溶性材料按设计轨迹打印在打印基板玻璃上，做成宽度为250μm的PVA流道掩膜。
(4)取下沉积了PVA流道掩膜的打印基板后，将环氧树脂AB胶浇筑到打印基板玻璃上，把流道完全覆盖，但不要没过流道端点出的凸台。
(5)待胶水固化后，将整个微流控芯片置入超声功率为40kHz，水温为80℃清洗机中清洗9h，直至PVA掩膜完全溶解，取出烘干，制成曲线形微流道。
本发明主要利用水溶性三维打印材料，通过三维打印技术制作所需微流道掩膜，利用胶水对其进行封装。该方法不需要刻蚀等化学方法，具有灵活性高、成本低、封装效果好等优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于三维打印的快速制作微流道的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.设计流道：利用计算机辅助软件设计出流道的形状，并保存为STL模型；
S2.生成打印轨迹：利用切片软件将STL模型转化成三维打印机的打印路径轨迹；
S3.加工掩膜：按设计轨迹，利用三维打印将PVA水溶性材料打印在打印基板上，制得流道掩模；
S4.浇筑封装：取下打印基板，在其上浇筑胶水后静置；
S5.清洗：待胶水固化后，将整体置入水中超声清洗，使PVA溶解，制得微流道。
2.根据权利要求1所述的基于三维打印的快速制作微流道的方法，其特征在于，步骤S3中所述打印基板为玻璃、PMMA或PET。
3.根据权利要求1所述的基于三维打印的快速制作微流道的方法，其特征在于，步骤S3中所述流道掩膜的宽度为200～300μm。
4.根据权利要求1所述的基于三维打印的快速制作微流道的方法，其特征在于，步骤S4中所述胶水为树脂胶或紫外线光固化胶。
5.根据权利要求4所述的基于三维打印的快速制作微流道的方法，其特征在于，所述树脂胶为环氧树脂胶AB；所述紫外线光固化胶为蓝田9307，蓝田9308，蓝田9310或蓝田9311。
6.根据权利要求1所述的基于三维打印的快速制作微流道的方法，其特征在于，步骤S5中所述微流道的结构为直线形、相交直线形、交叉线形、曲线形、单环形或多环形。
7.根据权利要求1所述的基于三维打印的快速制作微流道的方法，其特征在于，步骤S5中所述超声的功率为30～50kHz，所述超声的水温为70～90℃。
8.根据权利要求1所述的基于三维打印的快速制作微流道的方法，其特征在于，步骤S5中所述清洗的时间为8～10h。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于三维打印的快速制作微流道的方法制备的微流道。
10.权利要求9所述的微流道在分析化学领域中的应用。
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