CN111974471A - 一种基于3d打印的微流控电学检测芯片加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微流控电学检测芯片的加工方法，包括以下步骤：绘制三维模型，利用三维绘图软件绘制微流控电学检测芯片的三维模型，并转化为STL文件；生成打印路径，根据STL文件，对三维模型切片处理后生成打印路径；打印芯片模型，在基底上打印用于制作微流道结构的牺牲阳模，在牺牲阳模两侧打印与其高度相同的电极结构，且在牺牲阳模和电极结构的上方打印用于覆盖牺牲阳模和电极结构的密封结构；打印模具固化成型，得到一体化的微流控电学检测芯片。本发明能够实现具有微流道结构与检测电极结构微流控电学检测芯片的一体化制造，有利于促进微流控电学检测技术在临床即时诊断等领域的推广应用。

Description

一种基于3D打印的微流控电学检测芯片加工方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片加工领域，尤其涉及一种基于3D打印的微流控电学检测芯片加工方法。
背景技术
微流控技术(Microfluidics)又名芯片实验室(Lab on a chip)兴起于20世纪90年代初，依托于先进的加工手段，将生物样品检测所需的采样、预处理、分离与表征等实验过程集成在具有微米级通道网络的芯片上，具有样品消耗低、操控精度高、检测灵敏和分析时间短等优点。由于具有几平方厘米的尺寸，微流控芯片可方便地与微电子、微机械和微传感器等进行结合，从而实现生物样品检测的微型化、集成化和自动化，为精确、快速、智能地进行癌症等重大疾病的早期诊断与人体生命体征的安全监测提供了新的思路和方法。随着微流控技术的发展，微流控芯片在溶液的混合、微液滴的制备、细胞的聚焦和分选、单细胞的捕获与检测等方面取得了广泛的应用，然而微流控芯片的功能与结构实现依赖于各种先进的微流控芯片加工工艺。
微流控芯片的加工方法起源于微机电系统(Micro electro mechanicalsystem)，利用半导体加工工艺的光刻和刻蚀技术实现微尺度图形的转移。起初，微流控芯片加工采用的主要材料是玻璃，但是玻璃的各向同性特征造成高深宽比流道的加工难以实现，并且玻璃材料的流道较难实现密封。随着近年来出现的一些新型的聚合物微加工方法，如纳米线辅助制造微纳米通道、裂纹光刻和C-MEMS等，为复杂结构微流道的制造提供了更加有效的方法。目前主流的微流控芯片加工多采用软光刻技术进行，然而，软光刻技术包含了一系列复杂的工艺流程，如紫外光刻、PDMS复制浇注以及与玻璃的不可逆键合密封等，这些步骤对实验室工作环境和操作人员经验等都提出了较高的要求。近年来，能够任意形状成型的3D打印技术迅速崛起，为微流控芯片的加工提供了一种新颖、高效的方法。
申请号为201410306300.2的专利公开了一种微流控芯片装置及其制备方法，通过3D打印得到三维的微流道模具，然后通过浇注、脱模得到具有微流道的结构层，而后将结构层与底板通过螺栓密封得到微流控芯片。
申请号为201610258731.5的专利公开了基于3D打印的微流控芯片夹具实验平台，其通过打印出微流控通道模板的细丝，然后将细丝固定到基底上，继续通过浇注PDMS胶体、固化、脱模等一系列操作步骤得到微流控芯片。尽管上述专利公开的方法有效避免了软光刻工艺中的光刻步骤，但仍涉及常规的PDMS浇注、固化、脱模、键合等繁琐步骤，并且现有专利提出的方法对具有电学检测功能(电极结构)微流控芯片的加工仍未提及。综上所述，现阶段仍缺少一种能够实现具有微流道结构和检测电极结构的微流控电学检测芯片一体化加工的有效方法。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于3D打印的微流控电学检测芯片加工方法，能够实现具有微流道结构和检测电极结构微流控电学检测芯片的一体化、便捷制造。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微流控电学检测芯片的加工方法，包括以下步骤：
步骤一，绘制三维模型，利用三维绘图软件绘制微流控电学检测芯片的三维模型，包括微流道结构、电极结构和密封结构，并转化为STL文件；
步骤二，生成打印路径，根据STL文件，对三维模型切片处理后生成打印路径；
步骤三，打印芯片模型，在洁净基底上打印用于制作微流道结构的牺牲阳模，在牺牲阳模两侧打印与其高度相同的电极结构，且在牺牲阳模和电极结构的上方打印用于覆盖牺牲阳模和电极结构的密封结构；
步骤四，芯片固化成型，取出打印完成的芯片模型，先加热固化检测电极和密封结构，继续加热熔化牺牲阳模，清除液态牺牲材料形成微流道，得到一体化的微流控电学检测芯片。
进一步地，所述微流道结构由直流道和位于直流道前端的正弦流道或缩扩流道或螺旋流道组成，电极结构位于直流道的两侧，形成单对或多对检测电极，微流道结构与电极结构的高度相同，用于保证直流道检测区域内的均匀电场分布。
进一步地，所述电极结构为导电材料，选用导电银墨水或导电复合材料的一种；密封结构为硅胶材料，选用高粘度的PDMS；牺牲阳模选用石蜡、ABS、PLA、壳聚糖的一种；基底选用玻璃、硅片、PCB板的一种。
进一步地，所述打印路径包括微流道结构的打印路径、电极结构的打印路径和密封结构的打印路径。
进一步地，步骤三形成的芯片模具进行加热，加热温度从室温升高以使导电材料和硅胶材料固化，继续加热熔化牺牲阳模，保持高温状态下，通入高压气体，利用高压气体，清除液体的牺牲材料，形成微流道结构。
进一步地，冷却至室温后，将微流道结构浸泡在特定溶液中并进行超声清洗，最后采用去离子水漂洗并吹干，得到一体化的微流控电学检测芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明基于3D打印的微流控电学检测芯片加工方法，具有操作简单、制作效率高、人工参与少、对环境要求低等优点，并且能够实现具有微流道结构与检测电极结构微流控电学检测芯片的一体化制造，有利于促进微流控电学检测技术在临床即时诊断等领域的推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。其中：
图1是本发明实施例基于3D打印的微流控电学检测芯片加工方法的流程图；
图2是本发明实施例基于3D打印的微流控电学检测芯片加工方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
结合图1和图2，本发明的本发明提供了一种微流控电学检测芯片的加工方法，包括以下步骤：
步骤一，绘制三维模型，利用三维绘图软件绘制微流控电学检测芯片的三维模型，包括微流道结构、电极结构和密封结构，并转化为STL文件；
步骤二，生成打印路径，根据STL文件，对三维模型切片处理后生成打印路径，包括微流道结构的打印路径、电极结构的打印路径和密封结构的打印路径；
步骤三，打印芯片模型，在洁净基底上打印用于制作微流道结构的牺牲阳模，在牺牲阳模两侧打印与其高度相同的电极结构，且在牺牲阳模和电极结构的上方打印用于覆盖牺牲阳模和电极结构的密封结构；
步骤四，芯片固化成型，取出打印完成的芯片模型，先加热固化检测电极和密封结构，继续加热熔化牺牲阳模，清除液态牺牲材料形成微流道，得到一体化的微流控电学检测芯片。
微流道结构由直流道和位于直流道前端的正弦流道或缩扩流道或螺旋流道组成，正弦流道或缩扩流道或螺旋流道位于直流道前端，作为待检测样品进入电学检测区域前的预聚焦单元，电极结构位于直流道的两侧，形成单对或多对检测电极，微流道结构与电极结构的高度相同，用于保证直流道检测区域内的均匀电场分布。
电极结构为导电材料，如导电银墨水或导电复合材料的一种；密封结构为硅胶材料，如高粘度的PDMS；牺牲阳模选用石蜡、ABS、PLA、壳聚糖的一种；基底选用玻璃、硅片、PCB板的一种。
实施例1
设计具有缩扩流道、直流道和位于直流道两侧的一对检测电极的微流控电学检测芯片，缩扩流道、直流道与检测电极的高度相同。缩扩流道由宽流道和窄流道依次周期性连接组成，作为待检测样品进入电学检测区域前的预聚焦单元。当被检测生物微粒随牛顿流体在缩扩流道内流动时，微粒在惯性升力和Dean曳力、弹性力的共同作用下，将在流道横截面的特定位置形成稳定的聚焦排列。
利用Solidworks绘制所设计的微流控电学检测芯片的三维模型，将设计好的三维模型转化为STL文件并进行切片和打印路径规划处理，将得到的打印路径数据导入多工艺集成3D打印机。打印机中装好熔点高于110℃的日本费托蜡，该石蜡具有较高熔点因而有利于加热后处理；选用PCB板作为基底，将PCB板清洗干净并进行烘干处理后放置于3D打印机的底板上；启动3D打印机，使用微喷工艺打印石蜡形成牺牲阳模。待牺牲阳模打印完成后，更换打印材料为专用于柔性导电基底的导电银墨水，该导电银墨水固化温度在80℃左右，此温度有利于加热后处理。使用微喷工艺，将导电银墨水打印于牺牲阳模两侧；导电银墨水打印完成后，更换打印材料为PDMS的硅胶材料，继续打印，此时将打印工艺改为挤出工艺，待PDMS将微流道牺牲阳模和导电银墨水完全覆盖且密封后，打印过程结束，关停3D打印机。
将打印模型取出并放入烘箱中，启动烘箱，加热温度从室温开始缓慢升高至80℃并保持30分钟，使得导电墨水与PDMS固化，分别形成检测电极与密封结构。随后，继续提高烘箱的加热温度至120℃并保持5分钟，熔化牺牲石蜡阳模。保持高温状态下，通过通入高压气体，利用气流清除液体的牺牲石蜡材料，形成微流道结构，从而得到一体化的微流控电学检测芯片。
实施例2
设计微流控电学检测芯片的结构，前段为螺旋流道，后接直流道，在直流道两侧设有一对检测电极，且螺旋流道、直流道与检测电极高度相同。螺旋流道沿阿基米德螺旋线绕曲形成，当被检测生物微粒随牛顿流体在螺旋流道内流动时，微粒在惯性升力和Dean曳力的共同作用下，将在流道横截面的特定位置形成稳定的聚焦排列。
利用Solidworks绘制所设计的微流控电学检测芯片的三维模型，将设计好的三维模型转化为STL文件并进行切片和打印路径规划处理。将得到的打印路径数据导入多工艺集成3D打印机。打印机中装好熔融温度在230℃左右的ABS，启动打印机进行喷头预热；选择玻璃作为基底，将玻璃清洗干净并烘干之后放置于3D打印机的底板上，按下开始键，使用挤出工艺打印牺牲阳模。待牺牲阳模打印完成后，更换打印材料为导电复合材料，该导电复合材料固化温度在80℃左右，此温度有利于加热后处理。使用微喷工艺将导电复合材料打印于牺牲阳模两侧。导电复合材料打印完成后，更换打印材料为PDMS，使用挤出工艺继续打印，待PDMS将微流道牺牲阳模和导电复合材料完全覆盖且密封后，打印过程结束，关停3D打印机。
将打印模型取出转移至烘箱中，启动烘箱，加热温度从室温开始缓慢升高至80℃并保持30分钟，使得导电复合材料与PDMS固化，分别形成检测电极与密封结构。随后，继续提高烘箱的加热温度至230°并保持10分钟，熔化ABS牺牲阳模。待加热过程结束后，保持高温状态下，通过通入高压气体，利用气流清除熔融的ABS牺牲材料。冷却至室温后，将芯片浸泡在丙酮溶液并进行超声清洗，进一步去除ABS牺牲材料。最后用去离子水漂洗并吹干，得到一体化的微流控电学检测芯片。
实施例3
设计微流控电学检测芯片的结构，前段为正弦流道，后接直流道，在直流道两侧设有一对检测电极，且正弦流道、直流道与检测电极高度相同。
利用Solidworks绘制所设计的微流控电学检测芯片的三维模型，将设计好的三维模型转化为STL文件并进行切片和打印路径规划处理。将得到的打印路径数据导入多工艺集成3D打印机。打印机中装好熔融温度在180℃左右的PLA，启动打印机进行喷头预热。选择硅片作为基底，将硅片清洗干净并烘干之后放置于3D打印机的底板上，按下开始键，使用挤出工艺打印牺牲阳模。待牺牲阳模打印完成后，更换打印材料为导电银墨水，该导电银墨水固化温度在80°左右，此温度有利于加热后处理。使用微喷工艺将导电银墨水打印于牺牲阳模两侧。导电银墨水打印完成后，更换打印材料为PDMS，使用挤出工艺继续打印，待PDMS将微流道的牺牲阳模和导电复合材料完全覆盖且密封后，打印过程结束，关停3D打印机。
将打印模型取出转移至烘箱中，启动烘箱，加热温度从室温开始缓慢升高至80℃并保持30分钟，使得导电银墨水与PDMS固化，分别形成检测电极与密封结构。随后，继续提高烘箱的加热温度至180°并保持10分钟，熔化牺牲阳模。待加热过程结束后，保持高温状态下，通过通入高压气体，利用气流清除熔融的PLA牺牲材料。冷却至室温后，将芯片浸泡在三氯甲烷溶液并进行超声清洗，进一步去除PLA牺牲材料。最后用去离子水漂洗并吹干，得到一体化的微流控电学检测芯片。
本发明的一种基于3D打印的微流控电学检测芯片加工方法，具有操作简单、制作效率高、人工参与少、对环境要求低等优点，并且能够实现具有微流道结构与检测电极结构微流控电学检测芯片的一体化制造，有利于促进微流控电学检测技术在临床即时诊断等领域的推广应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于3D打印的微流控电学检测芯片加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，绘制三维模型，利用三维绘图软件绘制微流控电学检测芯片的三维模型，包括微流道结构、电极结构和密封结构，并转化为STL文件；
步骤二，生成打印路径，根据STL文件，对三维模型切片处理后生成打印路径；
步骤三，打印芯片模型，在洁净基底上打印用于制作微流道结构的牺牲阳模，在牺牲阳模两侧打印与其高度相同的电极结构，且在牺牲阳模和电极结构的上方打印用于覆盖牺牲阳模和电极结构的密封结构；
步骤四，芯片固化成型，取出打印完成的芯片模型，先加热固化检测电极和密封结构，继续加热熔化牺牲阳模，清除液态牺牲材料形成微流道，得到一体化的微流控电学检测芯片。
2.根据权利要求1所述的微流控电学检测芯片加工方法，其特征在于：所述微流道结构由直流道和位于直流道前端的正弦流道或缩扩流道或螺旋流道组成，电极结构位于直流道的两侧，形成单对或多对检测电极，微流道结构与电极结构的高度相同，用于保证直流道检测区域内的均匀电场分布。
3.根据权利要求1所述的微流控电学检测芯片加工方法，其特征在于：所述电极结构为导电材料，选用导电银墨水或导电复合材料的一种；密封结构为硅胶材料，选用高粘度的PDMS。
4.根据权利要求3所述的微流控电学检测芯片加工方法，其特征在于：所述牺牲阳模选用石蜡、ABS、PLA、壳聚糖的一种，且牺牲阳模材质的熔点温度高于导电材料和硅胶材料的固化温度；所述基底选用玻璃、硅片、PCB板的一种。
5.根据权利要求1所述的微流控电学检测芯片加工方法，其特征在于：所述打印路径包括微流道结构的打印路径、电极结构的打印路径和密封结构的打印路径。
6.根据权利要求3所述的微流控电学检测芯片加工方法，其特征在于：取出步骤三形成的打印芯片模型进行加热，加热温度从室温升高以使导电材料和硅胶材料固化，继续加热熔化牺牲阳模，保持高温状态下，通入高压气体，利用高压气体，清除液体的牺牲材料，形成微流道结构。
7.根据权利要求6所述的微流控电学检测芯片加工方法，其特征在于：冷却至室温后，将微流道结构浸泡在特定溶液中并进行超声清洗，最后采用去离子水漂洗并吹干，得到一体化的微流控电学检测芯片。
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