CN109821583A - 一种基于fdm三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，包括下述步骤：步骤1：加工具有异型微孔的FDM喷嘴；步骤2：打印出异型截面微流道ABS阳模；步骤3：制作PDMS基底；步骤4：将ABS阳模转移至PDMS基底的上方，浇注PDMS溶液并依次进行固化、切片得到PDMS块；步骤5：在PDMS块上ABS阳模的两端处加工垂直通孔；步骤6：将PDMS块浸入ABS溶解液溶解掉ABS阳模；步骤7：向垂直通孔的一侧注入PDMS溶液，固化密封后形成异型截面微流道芯片。

Description

一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片加工领域，特别是一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法。

背景技术

惯性微流控技术(inertial microfluidics)巧妙利用微尺度流体的惯性效应实现微粒运动状态和平衡位置的精确控制，具有所需流道结构简单、无需借助外场及处理通量高等显著优势，是微纳米生物粒子聚焦、排列及分选等操控功能实现的一项重要使能技术。然而，受限于经典软光刻技术的垂直曝光工艺，现阶段惯性微流控技术的研究仍主要集中在常规的矩形截面微流道。

惯性操控的机理研究成果表明，微流道的截面形状直接影响微粒惯性聚焦平衡位置的数量和具体坐标。为此，近年来研究人员尝试将一些特殊的流道阳模微加工方法与常规的PDMS倒模复制技术进行结合，制造出具有三角形、半圆形和梯形等异型截面的微流道(Lab Chip,2016,16:992-1001；Anal Chem,2018,90:1827-1835；Lab Chip,2014,14:128-137)，以拓展流道截面形状对微粒惯性操控影响机制的理解。然而，现有这些加工方法仅能用于制作特定截面形状的微流道，并且存在加工工艺复杂等共同缺陷。另外，复制阳模得到PDMS微流道后仍需与玻璃基底进行键合密封，不易实现微流控芯片与微机械、微电子和微传感器等其他功能单元的集成，从而严重制约着惯性微流控技术在现场即时检测仪器开发中的推广应用。

近年来，可任意形状成型的三维打印技术迅速崛起，为微流道及微流控芯片的加工提供了一种全新的思路。然而，现阶段三维打印技术在微流控芯片加工中的应用主要集中在复杂空间流道结构的构建上，而对于异型截面流道的三维打印制造仍鲜见报道。尽管Lee等(Lab Chip,2016,16:668-678)已通过控制光源对光敏树脂进行逐层曝光固化而成功打印出梯形截面螺旋流道，然而采用的微立体光刻技术的成型精度限制了该方法在小尺寸异型截面流道加工中的推广。此外，与常用的PDMS相比，光敏树脂材料在透气性、透光性以及生物相容性等方面均存在明显不足。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，包括下述步骤：

步骤1：加工具有异型微孔的FDM喷嘴；

步骤2：将步骤1得到的FDM喷嘴安装在三维打印机上打印出异型截面微流道ABS阳模；

步骤3：制作PDMS基底；

步骤4：将ABS阳模转移至PDMS基底的上方，浇注PDMS溶液并依次进行固化、切片得到PDMS块；

步骤5：在PDMS块上ABS阳模的两端处加工垂直通孔；

步骤6：将PDMS块浸入ABS溶解液溶解掉ABS阳模；

步骤7：向垂直通孔的一侧注入PDMS溶液，固化密封后形成异型截面微流道芯片。

本发明中，步骤1中具有异型微孔的FDM喷嘴加工方法为：

取圆薄片和打印喷嘴，在圆薄片中心处激光切割出异型微孔，去除打印喷嘴的顶端，将圆薄片与打印喷嘴对准并进行激光焊接得到改进FDM喷嘴。

本发明中，步骤2中异型截面微流道ABS阳模的制作方法为：

将改进FDM喷嘴安装于FDM打印机上，打印出异型截面微流道ABS阳模。

本发明中，PDMS基底制作方法为：

将PDMS预聚体和固化剂均匀混合并真空脱气得到PDMS混合液，将PDMS混合液转移至培养皿内，在烘箱中固化形成PDMS基底。

本发明中，步骤4中固化的步骤为：

将打印好的ABS流道阳模水平固定于PDMS基底的上表面，浇注PDMS混合液并在烘箱中固化，在ABS阳模的上方固化形成PDMS层。

本发明中，步骤4中切片的步骤为：

取出将固化后的PDMS块，在ABS阳模四周进行切片，将ABS阳模四周多余的PDMS切除。

本发明中，步骤6中具体步骤为：

将PDMS块浸入溶解液，溶解嵌在PDMS内部的ABS阳模；

将ABS阳模溶解后的PDMS块放至烘箱中，去除残留在PDMS块内的溶解液。

本发明中，步骤7的具体步骤为：采用去离子水超声清洗并吹干PDMS块，在PDMS块通孔的一侧注入PDMS混合液并固化密封，得到完全由PDMS构成的微流道芯片。

PDMS为聚二甲基硅氧烷。

有益效果：本发明提出的一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，利用激光切割技术可加工任意形状的喷嘴微孔，并借助桌面式FDM打印机方便打印出具有各种异型截面的ABS微流道阳模。结合常规的PDMS倒模复制技术和ABS溶解技术，能够方便地获得无需键合、易于嵌入功能器件的PDMS异型截面微流道芯片。与现有异型截面微流道加工技术相比，本发明提出的方法具有适用范围广、加工成本低和生物兼容性好等显著优势，为拓展微纳加工手段提供了一种有益思路。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明基于FDM三维打印的异型截面微流道加工方法的流程图；

图2为本发明改进FDM喷嘴的制作流程图；

图3为本发明FDM三维打印系统打印ABS流道阳模的工作示意图；

图4为本发明PDMS微流道芯片的制作流程图；

图5为本发明实施例1中改进喷嘴微孔和PDMS流道截面的显微照片(标尺为200微米)；

图6为本发明实施例1中基于单个挤出喷嘴加工得到的不同尺寸半椭圆形流道截面的显微照片；

图7为本发明实施例1中加工得到的方形、半椭圆形和三角形流道截面理论边长的分布曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细说明。

图2-图4中：21、不锈钢圆薄片，22、异型微孔不锈钢圆薄片，23、商用不锈钢喷嘴，24、切割不锈钢喷嘴，2、改进FDM喷嘴，31、材料辊，32、ABS丝材，33、挤出机，34、成型平台，41、PDMS基底，42、ABS流道阳模，43、PDMS溶液。

本发明提供一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

首先执行步骤S1,如图2所示，在不锈钢圆薄片21中心处激光切割出异型微孔，车削去除商用不锈钢喷嘴23的顶端，将异型微孔不锈钢圆薄片22与切割不锈钢喷嘴24对准并进行激光焊接得到改进FDM喷嘴2。

本步骤中，所述不锈钢圆薄片21的材质为304不锈钢，不锈钢圆薄片21的厚度为100微米，所述激光切割采用皮秒或飞秒激光器进行，所述商用不锈钢喷嘴23的材质为303不锈钢，所述激光焊接采用连续光纤激光焊接机进行。

接着执行步骤S2,如图3所示，将改进FDM喷嘴2安装于常规FDM打印机上，匹配ABS丝材32的挤出量与成型平台34的运动距离，打印出具有理想尺寸的异型截面微流道ABS阳模42。

本步骤中，成型平台34的运动方向与ABS丝材32的挤出方向一致。

最后执行步骤S3和步骤S4,如图4所示，将ABS流道阳模42转移至PDMS基底41的上方，浇注PDMS溶液43至一定高度并依次进行固化、切片，在得到的PDMS块上于ABS阳模42的两端处加工垂直通孔。将PDMS块浸入ABS溶解液并进行超声清洗以去除内嵌的ABS阳模42，将ABS阳模溶解后的PDMS块放至烘箱中，去除残留在PDMS块内的溶解液。采用去离子水超声清洗并吹干PDMS块，在通孔的一侧注入少量PDMS溶液43，并将PDMS块的这个侧面与载玻片贴合，加热固化PDMS后形成异型截面微流道芯片。异型截面的形状包含三角形、半圆形和梯形等。

上述两个步骤中，所述PDMS基底41的厚度为5毫米，所述PDMS溶液43为经过真空处理的PDMS预聚体和固化剂按质量比为10:1配比的均匀混合体，所述浇注PDMS溶液43的高度为5毫米，所述PDMS溶液43的固化条件为80℃高温下保持1小时，所述PDMS切片在四周沿距离ABS阳模42约5毫米处进行。所述ABS溶解液为丙酮或其他ABS清洗剂。

下面将通过一个具体实施例来说明基于FDM三维打印的异型截面微流道加工方法。

实施例1：

本实施例涉及一种基于FDM三维打印的微流道芯片的加工方法，具体为具有方形、三角形和半椭圆形截面的微流道加工，详细加工过程和结果如下：

本申请的异型截面可以设计为方形或半椭圆形或等腰三角形作为流道截面，并将所有图形的高度与底边长度均设为200微米。根据设计的流道截面形状，利用皮秒激光器在厚度为100微米、直径为4毫米的304不锈钢圆薄片中心处激光切割加工异型微孔。接着，车削去除标准303不锈钢喷嘴的尖端，露出直径为4毫米的圆形平台。将304不锈钢圆片和303不锈钢喷嘴放入丙酮中超声清洗10分钟，取出吹干后将两者对准并利用连续光纤激光焊接机沿圆片四周进行焊接密封，制作改进FDM喷嘴。利用皮秒激光切割技术，将设计图形转移至改进FDM喷嘴微孔后得到的显微照片如图5上a部分所示。从图中可以看出，加工得到的喷嘴微孔形状与设计图形保持一致。

将改进FDM喷嘴安装于常规桌面式FDM打印机上，选用直径为1.75毫米的ABS圆截面丝材作为原材料，将喷嘴加热至230℃后挤出成型形成ABS流道阳模。在ABS挤出的整个过程中，将打印阳模的末端固定在成型平台上，并控制成型平台匀速向下运动以保证打印流道阳模的直线度。采用指定改进喷嘴打印流道阳模时，控制ABS丝材的挤出量或挤出长度即可方便地调整流道阳模的截面尺寸，而保持流道阳模的截面形状不变。为了简化打印工艺，将ABS丝材的挤出长度即成型平台向下运动的距离，固定为150毫米，仅通过控制ABS材料的总体挤出量来开展流道阳模的多尺寸加工。

打印获得微流道的ABS阳模后，结合经典的PDMS浇注技术和ABS溶解技术实现PDMS微流道芯片的加工。首先，将PDMS预聚体和固化剂以10:1的质量比进行均匀混合，固化剂选用Dow Corning公司的Sylgard 184,抽真空脱气后备用。将部分PDMS混合液转移至4英寸培养皿内，在80℃烘箱中保持1小时后固化形成5毫米厚的PDMS基底。接着，将打印好的ABS流道阳模水平固定于PDMS基底的上表面，浇注更多的PDMS混合液并在80℃烘箱中继续保持1小时，在ABS阳模的上方固化形成另一层5毫米厚的PDMS。随后，将固化后的PDMS从培养皿中取出，在四周沿距离流道阳模5毫米处进行切片，并利用直径为0.75毫米圆形打孔器在ABS流道阳模的两端加工垂直通孔。将获得的PDMS块浸入丙酮溶液，进行多次超声清洗来溶解嵌在PDMS内部的ABS流道阳模。将阳模溶解后的PDMS块放至60℃烘箱中保持30分钟，用于去除残留在PDMS内的丙酮。采用去离子水超声清洗并吹干后，在PDMS块通孔的一侧注入少量PDMS混合液(高度不超过5毫米)，并将PDMS块的这个侧面与载玻片贴合，加热固化后得到完全由PDMS构成的异型截面微流道芯片。在芯片中，微流道距离PDMS块各面的距离为5毫米，保证足够强度的同时便于观察流道内部情况。得到的典型PDMS流道截面如图5下部分b部所示，测得方形、半椭圆形和三角形流道截面的理论边长分别为199微米、201微米和234微米。

本发明提出的基于FDM三维打印的异型截面微流道加工方法的一个显著优势是，能够利用同一喷嘴进行多尺寸流道的加工。采用半椭圆形FDM喷嘴，微孔的理论边长为221毫米，设定不同ABS挤出量打印获得的半椭圆形流道截面显微照片，如图6所示，图中同时包含了对应标准半椭圆形的理论边长值。可以看出，尽管采用同一个打印喷嘴，在不同ABS材料挤出量的情况下得到的流道尺寸相差较大，半椭圆形流道截面的理论边长从95微米变化到262微米。对于方形和三角形FDM喷嘴而言，在不同ABS挤出量情况下加工微流道得到的结论与半椭圆形相似，计算得到方形、半椭圆形和三角形流道的截面理论边长值变化曲线如图7所示，图中箭头位置表示对应打印喷嘴的理论边长。从图中可以清楚看出，提出的基于FDM三维打印的异型截面微流道加工方法能够利用单个喷嘴制造出不同尺寸的微流道。

本发明提出一种基于FDM三维打印的微流道芯片的加工方法，利用改进的FDM喷嘴打印异型截面流道ABS阳模，结合PDMS倒模复制技术和ABS溶解技术加工PDMS异型截面微流道芯片。采用激光切割技术可加工任意形状的喷嘴微孔，并借助FDM打印机方便获得具有异型截面的微流道阳模。另外，针对特定形状的喷嘴微孔，可通过控制打印材料的挤出量或挤出长度来灵活地调整微流道的截面尺寸。与现有的异型截面微流道加工方法相比，本发明提出的基于FDM三维打印的异型截面微流道加工方法，能够方便打印出具有任意截面形状的流道阳模，并且具有成本低、耗时短以及生物兼容性好等优势，对加速微流控芯片的应用推广具有重要促进作用。

本发明提供了一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：加工具有异型微孔的FDM喷嘴；

步骤2：将步骤1得到的FDM喷嘴安装在三维打印机上打印出异型截面微流道ABS阳模；

步骤3：制作PDMS基底；

步骤4：将ABS阳模转移至PDMS基底的上方，浇注PDMS溶液并依次进行固化、切片得到PDMS块；

步骤5：在PDMS块上ABS阳模的两端处加工垂直通孔；

步骤6：将PDMS块浸入ABS溶解液溶解掉ABS阳模；

步骤7：向垂直通孔的一侧注入PDMS溶液，固化密封后形成异型截面微流道芯片。

2.根据权利要求1所述的一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，其特征在于，步骤1中具有异型微孔的FDM喷嘴加工方法为：

取圆薄片和打印喷嘴，在圆薄片中心处激光切割出异型微孔，去除打印喷嘴的顶端，将圆薄片与打印喷嘴对准并进行激光焊接得到改进FDM喷嘴。

3.根据权利要求1所述的一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，其特征在于，步骤2中异型截面微流道ABS阳模的制作方法为：

将改进FDM喷嘴安装于FDM打印机上，打印出异型截面微流道ABS阳模。

4.根据权利要求1所述的一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，其特征在于，PDMS基底制作方法为：

将PDMS预聚体和固化剂均匀混合并真空脱气得到PDMS混合液，将PDMS混合液转移至培养皿内，在烘箱中固化形成PDMS基底。

5.根据权利要求1所述的一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，其特征在于，步骤4中固化的步骤为：

将打印好的ABS流道阳模水平固定于PDMS基底的上表面，浇注PDMS混合液并在烘箱中固化，在ABS阳模的上方固化形成PDMS层。

6.根据权利要求1所述的一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，其特征在于，步骤4中切片的步骤为：

取出固化后的PDMS块，根据所述芯片尺寸将PDMS块四周多余的部分切除。

7.根据权利要求1所述的一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，其特征在于，步骤6中具体步骤为：

将PDMS块浸入溶解液，溶解嵌在PDMS内部的ABS阳模；

将ABS阳模溶解后的PDMS块放至烘箱中，去除残留在PDMS块内的溶解液。

8.根据权利要求1所述的一种基于FDM三维打印的异型截面微流道芯片的加工方法，其特征在于，步骤7的具体步骤为：采用去离子水超声清洗并吹干PDMS块，在PDMS块通孔的一侧注入PDMS混合液并固化密封，得到完全由PDMS构成的微流道芯片。