CN115923134A - 一种基于3d打印的高精度微流控芯片制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于3D打印、微流控芯片领域，是一种基于3D打印的高精度微流控芯片制备方法和应用。微流控芯片的微通道按基底层、微通道结构层、结构封顶层、通道封顶层、常规封顶层不同区块打印，通过
得墨水Ha和Dc，通过
得通道封顶层厚度，通过
得到满足Ωtol≈1、Ω′tol＞1封顶层层数及每一层厚度；基底层、微通道结构层和常规封顶层常规打印；通道基底层按上述计算结果设置，结构封顶层与通道封顶层相同层厚，常规打印参数设置。本发明适用多种商业墨水，提高微流控芯片的精度和机械强度。
Description
技术领域
本发明属于3D打印、微流控芯片领域，具体涉及一种基于3D打印的高精度微流控芯片制备方法和应用。
背景技术
微流控芯片，又称芯片实验室，是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力。目前微流控芯片的制造方法主要集中于层压、模塑和3D打印等。层压制造是指在每层中切割所需的微流控形貌，然后将多层平板材料粘合在一起以形成微流控芯片。对于层状微流控器件，每一层都是单独切割的。切割技术使用的材料通常为聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等聚合物，通常使用刀片式绘图仪或激光切割机进行切割。刀片式绘图仪切割比激光切割器更容易设置，但分辨率较低(＞500μm)；激光切割机具有更好的分辨率(＜25μm)，并且在材料和厚度的选择上更加灵活。然而，刀片式绘图仪在材料和厚度选择上受到更多限制，可能需要更长的设置时间来确定最佳参数；激光加工过程中需要真空抽气系统，而且可能会留下阻塞芯片通道的灼伤残留物。模塑成型是指借助模具使材料成型的过程，具体可以将其分为三类：复制成型、注射成型和热压印。复制成型的核心是使用光刻技术制造硅和光刻胶模具，在这些模具上浇注和固化聚二甲基硅氧烷(PDMS)等液态聚合物，固化的聚合物从模具表面剥离，再将其与玻璃滑块粘合，形成封闭的通道。该技术可制造≥10μm的微流控通道。但其可能会造成模具的图案变形或者从模具中取出铸件时产生缺陷。注射成型是指在一定温度下，将完全熔融的材料用高压射入模腔，经冷却固化后，得到成型品的方法。模具和微流控通道的分辨率取决于制作模具镶件的方法。金属模具的微铣削精度可低至25μm，而电子束光刻则可能达到亚微米级的分辨率。然而，微注射成型在材料选择方面具有很大的局限性，通常只能选用热塑性材料进行加工。热压印技术是一种利用模具、压力和加热将热塑性材料精确成型的工艺。在此过程中，在两个模具镶件之间放置一层热塑性薄膜；然后将模具腔抽空、压缩和加热，从而形成模具铸件；最后冷却模具，取出铸件。微流控芯片中常用的热塑性材料包括PC、PMMA、环烯烃共聚物和聚对苯二甲酸乙二酯。目前热压印技术的研究重点是在热塑性材料中生成尺寸＜50μm的微流控通道。与模塑成型类似，热压印技术只能选用热塑性材料进行加工。虽然层压和模塑成型已得到广泛的应用，但这些工艺需要购买昂贵的设备，制备过程复杂，成本较高，且难以制造具有复杂三维结构的微流控通道。在芯片制造过程中材料因切割/热膨胀/收缩/倒模而易发生变形和扭曲，造成芯片微结构失准。以上缺陷都制约着微流控芯片技术的发展，使它们难以高效、精确地制造出微流控芯片，更无法充分利用三维空间，在制造高通量芯片上具有很大的局限性。因此，开发新的微流控芯片制造方法，克服现有技术面临的工序复杂、周期长、可迭代性差等问题，需要开发一种全新的制造方法。
近年来3D打印技术的高速发展为微流控芯片制造技术的革新提供了新工具。虽然可以通过不同的工艺制造出高精度(<100μm)的微流控芯片，但是芯片属性却截然不同：传统工艺通过制造模具可实现批量化制造单一结构的芯片，但无法实现芯片的差异化，研究人员最关注的往往是稳定性和可重复性，适用于工艺、材料、生物医学应用等各方面技术都成熟的场景，因此芯片不需要频繁地迭代，生命周期很长。而3D打印则基于数字光处理(DLP)技术、具有生物相容特性的墨水材料、定制化的打印工艺和灵活的三维空间设计，可简便、高效、迭代地制造出具有复杂三维结构的高精度(<50μm)微流控芯片，由于芯片个性化设计制造的需求是发展趋势，在研发、制造和临床应用的技术路线上，芯片生命周期较短，需要反复迭代优化，形成技术闭环，才能适应众多生命医学领域的科学挑战，此外，由于其尺寸小，还具有在一次打印中快速(30分钟)并行制造多个芯片的优势，一旦研发成功具有特点功能的芯片(如器官芯片)则可迅速建立芯片矩阵，极大地增强微流控芯片的应用前景。
现有技术方案是以数字光处理(DLP)技术为基础，借助具有光引发交联特性的树脂作为打印墨水，通过面投影的方式逐层打印，实现微流控芯片流道的空间图案化制造。
方案一：基于比尔定律，Gong等(H.Gong,M.Beauchamp,S.Perry,A.T.Woolley,G.P.Nordin.RSC Adv 2015,5,106621-106632.；H.Gong,B.P.Bickham,A.T.Woolley,G.P.Nordin.Lab on a Chip 2017,17,2899-2909.)提出了一种表征树脂光学穿透深度的数学模型，通过计算每一层树脂所接收的光照剂量，从而打印高精度(20μm)微流控芯片。
方案二：基于Gong等提出的数学模型，Peter等(P.van der Linden,A.M.Popov,D.Pontoni.Lab Chip 2020,20,4128-4140.)在基于DLP原理的3D打印机中添加了一个滤光片以匹配打印机紫外光源的光谱和墨水中吸收剂的吸收光谱，从而实现波长选择，可以更精度的控制每一层树脂所接收的剂量。
然而上述两种方案存在以下一些缺陷：
(1)力学稳定性不好：为了保证微流控通道是流通的，通道内残留的墨水材料接收到的光照剂量需小于临界剂量，因此在微流控通道的封顶层附近，较低的光照剂量使得不同层之间的粘附力较低，无法保证整体芯片结构的力学稳定性，在使用高压冲洗通道时，会造成结构分层，不同通道的溶液出现渗漏、混合现象。
(2)无法控制光照剂量：在Gong等提出的模型中，可通过光照强度、光照时间、打印层厚这三个参数来控制打印层接收的光照剂量，但在实际打印中由于受力学稳定性的制约，只运用了光照时间和打印层厚两个参数来控制打印层接收的光学剂量，无法更好地调控通道内墨水材料的接收的光照临界剂量。
(3)芯片通道表面粗糙度难以控制：由于控制光照剂量的参数单一，使得在微流控通道的封顶层下表面的粗糙度难以保证，无法满足对表面光滑度较高要求的实验需求。
(4)模型对商业墨水的适用性
Gong等提出的数学模型需要与打印墨水高度匹配，这意味着需要研究数十种不同的材料才能成功开发出能够匹配打印工艺的墨水，只适用于具备开发墨水材料的单位使用。当不具备材料学背景的单位使用商业树脂打印时，无法使用其模型匹配相应参数，因此不具有普适性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种剂量可控的，分区固化打印微流控芯片的方法，可以适用于多种性能优异的商业树脂，同时提高打印芯片的精度和机械强度。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种分区固化打印微流控芯片的方法，所述微流控芯片的微通道按不同区块分步打印；所述不同区块由下至上依次分为基底层、微通道结构层、过渡封顶层、常规封顶层，所述过渡封顶层分为结构封顶层和通道封顶层，通道封顶层在待形成微通道的正上方；
所述基底层、微通道结构层、常规封顶层的打印参数按照所用打印机及墨水的常规打印参数设置；
打印所述通道封顶层时，先通过计算，确定打印机的曝光强度、曝光时间和所要打印层数和每层厚度，以满足常规封顶层打印时，光源穿透结构封顶层和通道封顶层时，在微通道内所产生的透过辐照剂量小到足以忽略，避免了常规封顶层打印时微通道内的树脂固化，堵塞微通道；
计算包括以下步骤：
S1.光固化树脂的光学特性参数测定：
测量不同梯度光照强度I和不同曝光时间t*下光固化树脂材料的聚合深度L，通过公式(1)，得到树脂对应的特征高度ha和特征剂量Dc数值，其中ha为固定值，仅与树脂相关，Dc是一个受光照强度I控制的变化值；
S2.确定通道封顶层厚度ZF＝zt-zc：
zc为常规打印参数所设定的打印层厚，通常由树脂材质与打印设备决定；
zt通过公式(2)计算得到，为避免打印常规封顶层时，紫外光剂量穿透常规封顶层，诱发微通道结构内的树脂发生交联，因此设定在Ω＜0.01(即辐照紫外剂量在穿透z距离之后可忽略不计)的条件下，将常规打印参数的曝光强度I、曝光时间t*、步骤S1中得到的ha和Dc代入公式(2)中，计算得zt，从而得到通道封顶层厚度ZF；
S3.将通道封顶层分为N层，计算每一层厚度Zn，其中n＝1，Z1代表第一层层厚，n＝N，ZN代表第N层层厚：
为保证每一层通道封顶层打印时，部分固化的树脂均能固定在原位，因此对于封顶层打印，每一层的顶面需要实现完全固化，即z＝0，Ω＞1，代入公式(2)，得到t*I的值；
在所用打印机精度水平下设定尽可能小的曝光时间t*，以避免光过量散射，确定t*后，由t*I的值得到光照强度I，根据打印机设备的光照强度控制精度以及控制范围，选取实际使用的光照强度；
将t*I和ha、Dc代入公式(3)和公式(4)，获得能够满足Ωtol≈1，Ω′tol＞1的Z1。。。ZN及N；Ωtol为通道封顶层底面即通道封顶层第一层底面所接收到的累积紫外辐照剂量，Ω′tol为通道封顶层第二层底面所接受到的累积紫外辐照剂量；即以通道封顶层第一层底面为基准的Ω1+Ω2+Ω3+....Ωn≈1，Ω1＝Ω(z1,t)，Ω2＝Ω(z1+z2,t)....Ωn＝Ω(zF,t)；同时第二层通道封顶层底面所接受得累积紫外辐照剂量需满足Ω′tol＞1，即以通道封顶层第二层底面为基准的Ω′2+Ω′3+....Ω′n>1，Ω′2＝Ω′(z2,t)，Ω′3＝Ω′(z2+z3,t)....Ω′n＝Ω′(zF-z1,t)。任意能够满足Ωtol≈1，Ω′tol＞1的打印层厚以及打印层数的过渡封顶层分配方式均可作为通道封顶层的打印参数。
按照得到的t*、I、打印层数及厚度打印通道封顶层；
打印所述结构封顶层时，采用与通道封顶层相同层厚，以及常规打印参数的曝光强度与曝光时间进行打印；
所用公式为：
公式(1)为单次紫外曝光时，特定树脂的聚合深度计算方程，L为单层打印聚合深度，I为光照强度，t*为曝光时间，ha和Dc分别为特定树脂对应的特征高度与特征剂量；
公式(2)为单次紫外曝光打印时，特定平面内所接收到的透射紫外辐照剂量计算方程，Ω为特定平面内接收的透射紫外辐照剂量，z为特定平面与光源间的垂直距离；
公式(3)为连续DLP打印时，打印不同层时特定平面内所接收到的投射紫外辐照剂量计算方程，Ωn为当次打印时特定平面内接收的透射紫外辐照剂量，zl为当次打印时特定平面与紫外光源间的垂直距离；
公式(4)为连续DLP打印时，特定平面内所接收到的投射紫外辐照累加剂量计算方程，Ωtol为特定平面内接收的透射紫外辐照累加剂量值。
上述技术方案中，进一步地，步骤S2得到的Z值取整数值；步骤S3得到的t*I的值取整数值。
上述技术方案中，进一步地，所述Z值取最小整数值；所述t*I值取最小整数值。
上述技术方案中，进一步地，所述步骤S3中，t*≥0.1s，优选地，t*为0.1s～1s。
上述技术方案中，进一步地，所述Ωtol≤1。
上述技术方案中，进一步地，所述通道封顶层的每一层厚度均不相同。
上述技术方案中，进一步地，所述通道封顶层第2层至第N层的每一层打印层厚均相同，即Z1+(N-1)Z n＝Z F(n＞1)。
本发明提供了一种微流控芯片，所述微流控芯片由前述方法制备得到，所述芯片微通道的壁面光滑。
进一步地，本发明提供了前述芯片在微流控领域内的应用；优选地，所述应用包括微颗粒制备和细胞封装。
本发明所述的方法在打印微流控芯片中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.针对现有技术所打印产品力学稳定性不好且精度不佳的问题，本发明打印方法通过精确化控制不同芯片结构区域的固化程度，在不影响局部粘附力的条件下实现局部微结构的高精度打印，同时保证良好的机械强度。
2.针对现有技术打印流程中所出现的光照剂量无法控制的问题，本发明方法将待打印通道结构进行分区，分别打印固化，实现对微结构内墨水所接收的光照剂量的精确控制避免高精度微腔内的墨水发生不必要的固化。
3.针对现有技术打印产品内部微结构表面粗糙度难以控制的问题，本发明通过对同一打印层内不同区域进行分别打印的工艺，保证同一层内的微结构区域间具有明确的区分，进而在保证结构精确性的前提下提高微结构表面的光滑度。
4.针对现有技术仅适用于特定墨水材质的问题，本发明优化的数学模型在使用中具有普适性，不需要对商业墨水材料做额外的加工处理即可得到所用商业墨水的最佳打印参数，适用于多种商业墨水。
附图说明
图1本发明打印区块分布；
图2实施例1打印的芯片；
图3传统打印工艺与本发明打印工艺对比示意图：
图3A为传统打印工艺流程示意图；
图3B为传统打印工艺实际打印时打印芯片内不同高度所接受单次曝光紫外光照剂量以及累加光照剂量(其中以微通道结构层底面为深度零平面)；
图3C为本发明打印工艺打印流程示意图；
图3D为本发明打印工艺实际打印时打印芯片内不同高度所接受单次曝光紫外光照剂量以及累加光照剂量(其中以微通道结构层底面为深度零平面)。
图4传统打印工艺与本发明工艺打印获得芯片截面对比电镜图；图4ⅰ、ⅱ、ⅲ分别为常规打印工艺打印的20μm×20μm、30μm×30μm、40μm×40μm微通道，图4ⅴ、ⅵ、ⅶ分别为本发明工艺打印的20μm×20μm、30μm×30μm、40μm×40μm微通道；图4ⅳ为常规打印工艺打印的通道表面，图4ⅷ为本发明工艺打印的通道表面；
图5软光刻工艺、传统打印工艺、本发明工艺打印出的芯片强度参数对比图；
图5A测试工艺示意图；
图5B实际拉伸状况照片；
图5C工程应力-应变曲线，整体显示不同芯片制作工艺下制得芯片的强度；
图5D断裂应力(芯片拉伸发生断裂时的应力)对比图；两种3D芯片的断裂应力均大于传统软光刻芯片，同时本发明所打印的芯片的断裂应力也显著大于传统DLP打印工艺；
图5E断裂应变对比图；
图5F断裂能对比图，
图6不同梯度光照强度I和不同曝光时间t下光固化树脂材料的聚合深度L的关系；
图7不同尺寸微通道制备微液滴/微凝胶产品。
图7A单个芯片大小展示以及不同微通道尺寸芯片内液滴形成状况；i.微通道尺寸20×20μm，ii.微通道尺寸100×100μm，iii.微通道尺寸300×300μm；
图7B芯片所生产的液滴产品；i.微通道尺寸20×20μm，ii.微通道尺寸100×100μm，iii.微通道尺寸300×300μm；
图7C芯片所生产的微凝胶产品；i.微通道尺寸20×20μm，ii.微通道尺寸100×100μm，iii.微通道尺寸300×300μm；
图7D芯片所生产微颗粒的尺寸分布；i.微通道尺寸20×20μm，ii.微通道尺寸100×100μm，iii.微通道尺寸300×300μm；
图8本发明打印所得产品进行细胞包封时生物相容性验证；
图8A微通道尺寸100×100μm芯片制备的载细胞微凝胶产品照片，其中浅绿色球形为微凝胶，亮绿色为细胞；
图8B微通道尺寸300×300μm芯片制备的载细胞微凝胶产品照片，其中浅绿色球形为微凝胶，亮绿色为细胞、蓝色为细胞核；
图8C不同工艺制作的芯片所生产的载细胞微凝胶内细胞存活率对比；
图8D不同时间点下载细胞微凝胶内细胞数量与状态的荧光表征。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
以打印含有宽高参数为20×20μm的单层微通道的微流控芯片为例
如图1所示，先将待打印芯片模型按区块分布，由下至上依次分层，分为基底层1、微通道结构层2、过渡封顶层、常规封顶层5，所述过渡封顶层分为结构封顶层3和通道封顶层4，通道封顶层4在待形成微通道的正上方；使用的打印机为microArch S240，所用墨水为HTL耐高温树脂(重庆摩方精密科技有限公司)，按照此打印机及墨水的常规打印参数为，辐照强度30mw/cm2，单层辐照时长0.8s，单层打印厚度20μm(即按照常规打印参数打印的理论通道封顶层厚度)。
(1)所用光固化树脂的光学特定参数测定
测量不同梯度光照强度I和不同曝光时间t*下光固化树脂材料的聚合深度L，光照强度I分别设置为10、15、20、25、30(mw/cm2)，根据实验结果绘制了不同光照强度下曝光时间与聚合深度的拟合曲线图(图6)：
表1不同光照强度和曝光时间下的聚合深度L
通过公式(1)，得到树脂对应的特征高度ha和特征剂量Dc数值，其中ha为固定值，仅与树脂相关，Dc是一个受光照强度I控制的变化值；
表2由公式(1)计算所得的ha和Tc
(2)确定通道封顶层厚度：ZF＝zt-zc
为避免打印常规封顶层时，紫外光剂量穿透常规封顶层，诱发微通道结构内的树脂发生交联，因此设定在Ω＜0.01(即辐照紫外剂量在穿透z距离之后可忽略不计)的条件下，将常规打印参数的曝光强度I＝30mw/cm2、曝光时间t*＝0.8s、步骤(1)中得到的对应ha34.22±0.22和Dc 10.23±0.19代入公式(2)中得到zt，zt取整数值；zc为常规打印参数设定的通道封顶厚度，即20um；计算得通道封顶层厚度ZF为100μm。
(3)将通道封顶层分为N层，计算每一层厚度及层数，第一层Z1为靠近微通道一侧的为第一层，依次递增为第二层…第N层；本实施例中设定第2～N层的每一层层厚相同，均为Z n，则Z1+(N-1)Z n＝Z F(n＞1)＝100μm。
为保证每一层通道封顶层打印时，部分固化的树脂均能固定在原位，因此对于通道封顶层打印，每一层的顶面需要实现完全固化，即满足z＝0，Ω＞1，代入公式(2)，计算得t*I>4.952mj/cm2，取整数值则t*I为5mj/cm2。根据打印机设备曝光时间控制精度，设定曝光时长尽可能小，曝光时间t*为0.5s，对应辐照强度10mw/cm2。
通道封顶层底面即第一层通道封顶层底面所接收到的累计紫外辐照剂量需满足Ωtol≤1，即以通道封顶层第一层底面为基准的Ω1+Ω2+Ω3+....Ωn≤1，Ω1＝Ω(z1,t)，Ω2＝Ω(z1+z2,t)....Ωn＝Ω(zF,t)；同时第二层通道封顶层底面所接受得累积紫外辐照剂量需满足Ω′tol＞1，即以通道封顶层第二层底面为基准的Ω′2+Ω′3+....Ω′n>1，Ω′2＝Ω′(z2,t)，Ω′3＝Ω′(z2+z3,t)....Ω′n＝Ω′(zF-z1,t)。
将上述曝光时间t*0.5s，辐照强度10mw/cm2，带入公式(3)和(4)，并同时满足Ωtol＝1，Ω′tol＞1，Z1+(N-1)Z n＝100μm，计算得通道封顶层层数范围后取整数值为7层；相应的，第一层通道封顶层厚度为40μm，后续通道封顶层厚度10μm。
打印时，首先使用常规打印参数逐层打印芯片的基底层以及微通道结构层。然后使用上述参数(辐照强度30mw/cm2，单层辐照时长0.8s)打印第一层结构封顶层，层厚设定为40μm。
接下来使用上述计算出的辐照参数(辐照强度10mw/cm2，曝光时长为0.5s)，打印与第一层结构封顶层同层的通道封顶层。然后打印第二层结构封顶层，层厚设为10μm，再打印与结构封顶层同层的第二层通道封顶层，接下来依次打印第三层结构封顶层，第三层通道封顶层。。。。。直至最终完成整体过渡封顶层的打印。最后再次调整为常规打印参数，打印常规封顶层，直至完成打印。获得产品如图2所示。
实施例2按照过渡封顶层设置不均匀层厚的方式，打印上述相同结构微流控芯片
以与上述打印流程相同的方式将要打印的芯片按区块分布，使用HALOT-MAX(最小辐照强度10mw/cm2，最小曝光时间1s，深圳市创想三维科技股份有限公司)与相同的墨水材料进行芯片打印。因此，后续计算所需的各项墨水参数及其控制参数均与实施例1相同，即通道封顶层曝光时间与曝光强度t*I>4.952mj/cm2，令曝光时间t*为1s，辐照强度10mw/cm2；芯片的过渡封顶层总厚度也与实施例1相同，即ZF为100μm。
设置过渡封顶层厚度由下到上分别为50μm，20μm，10μm，10μm，10μm，可得通道封顶层第一层底面的Ω1+Ω2+Ω3+....Ωn＝0.985，满足Ωtol≤1。同时，第二层底面的Ω′2+Ω′3+....Ω′n＝1.482，满足Ω′tol＞1。因此同样能够满足本发明所述打印工艺的参数要求，实现芯片打印。
实施例3
计算对比了传统打印工艺(即不设置过渡封顶层，微通道结构层、封顶层均使用辐照强度30mw/cm2，单层辐照时长0.8s，层厚20μm打印)与本专利打印工艺条件下不同水平面所接收的紫外辐照剂量。如图3所示。
传统打印工艺不设置过渡封顶层，直接打印封顶层，因此打印封顶层时，穿透至微通道区域的紫外辐照剂量(深度为0-20μm处的相对辐照剂量虚线，图3B)较高，因此微通道区域内的累加相对辐照剂量远大于1，进而造成通道堵塞。
本发明打印工艺由于设置的一个过渡封顶层，分区域分层打印，大幅降低了后续辐照紫外光穿透至通道区域的辐照剂量(图3D深度为0-20μm处的相对辐照剂量虚线)，进而控制通道结构层上表面的累加辐照剂量均小于1，通道不堵塞，实现小尺寸微通道打印(图3D)。
实施例4
使用实施例1所述方法以及常规打印工艺(即不设置过渡封顶层，微通道结构层、封顶层均使用辐照强度30mw/cm2，单层辐照时长0.8s，层厚20μm打印)打印截面为20×20，30×30，40×40μm的微通道芯片，通道位置的横截面电镜照片如图4所示(常规打印工艺i-iii，本发明工艺v-vii)。常规打印工艺获得的通道尺寸远小于设计尺寸，且20×20μm的微通道内有明显的树脂堵塞状况(图4v)，表明其无法实现高精度的微流控芯片打印。本发明工艺打印出的芯片通道壁面清晰可见，且表面明显比传统工艺更为光滑。此外，通道内壁表面的电镜图(图5iv，viii)表明常规工艺打印出的芯片内表面粗糙不平且存在分层，而本发明工艺打印出的内壁表面光滑平整。由此证明本发明工艺的实际打印效果。
对通道机械强度的验证如图5所示。使用力学测试机夹持待检测芯片样品后，进行垂直方向上的匀速拉伸，检测拉伸过程中的应力应变情况。图5A为拉伸测试工艺示意图，图5B为实际拉伸状况照片；其中，以传统打印工艺及常用的软光刻工艺制得的芯片作为对照，软光刻工艺采用聚二甲基硅氧烷作为基质材料(聚二甲基硅氧烷微流体芯片的制作技术刘长春,崔大付,王利《传感器技术》2004年第23卷第7期DOI:10.13873/j.1000-97872004.07.026)，由于其PDMS材质韧性远高于DLP打印树脂材质，因而相对于打印芯片有更好的韧性，显示出较高的断裂应变(图5E)，但是其断裂应力较低(图5D)，无法应用于部分高液压的实际应用领域。相比传统打印工艺，本发明打印工艺在具有更好的韧性(图5E)的同时，也具有更高的断裂应力(图5D)，因而具有更高的断裂能(图5F)，更加适用于局部高液压的应用实景中，抵抗更长距离更大应力的拉伸(图5C)。证明本发明工艺所得产品更好的力学性能。
实施例5本发明工艺打印出的芯片用于制备凝胶微球
使用实施例1所述打印工艺，打印十字型微通道芯片，通道截面分别为20×20，100×100，300×300μm的用于单分散微液滴生产的微流控芯片。芯片结构如图7A所示。图7A中，1为第一输入通道，2位第二输入通道，3为第三输入通道，4为输出通道；
微液滴制备：使用上述微流控制备微液滴，以去离子水为水相，由第一输入通道输入。用HFE7100配置终浓度为1％的多嵌段氟化表面活性剂的溶液作为油相，由第二输入通道输入。第三输入通道封闭。调整至通道稳定生成液滴后，持续进行微液滴生产，产品从输出通道输出芯片，收集后的液滴如图7B所示。
微凝胶制备：使用上述微流控制备微凝胶，将海藻酸钠、乙二胺四乙酸钙(Ca-EDTA)溶于去离子水配置得海藻酸钠含量为1w/v％，钙离子终浓度为50mM的海藻酸水凝胶预聚体溶液作为水相，由第一输入通道输入。用HFE7100配置终浓度为1‰的醋酸、1％的多嵌段氟化表面活性剂的溶液作为油相，由第二输入通道输入。用HFE7100配置终浓度为10％的全氟辛醇溶液作为清洗相，由第三输入通道输入。调整至通道稳定生成液滴后，持续进行微凝胶生产，产品如图7C所示。
载细胞微凝胶制备：使用上述微流控制备微凝胶，将精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列修饰的海藻酸钠、乙二胺四乙酸钙(Ca-EDTA)溶于去离子水配置得海藻酸钠含量为1w/v％，钙离子终浓度为50mM的海藻酸水凝胶预聚体溶液作为水相，其中分散待包封的细胞(间充质干细胞(MSC)以及海拉(Hela)细胞)，由第一输入通道输入。用HFE7100配置终浓度为1‰的醋酸、5％的全氟辛醇的溶液作为油相，由第二输入通道输入。第三输入通道封闭。调整至通道稳定生成液滴后，持续进行微凝胶生产，产品如图8A和B所示。
如图7D所示，本发明打印方法打印出的不同尺寸芯片所产出的微颗粒尺寸均呈单分散分布，差异系数均小于5％，本发明方法打印的芯片能够实现不同尺度单分散微颗粒的稳定生产。
生物相容性如图8所示。使用本发明工艺封装间充质干细胞(MSC)以及海拉(Hela)细胞时，相比于培养于普通培养板的对照组细胞以及使用传统软光刻工艺芯片制备的载细胞微凝胶(图8C)，本发明工艺所得载细胞微凝胶产品中的细胞存活率均略有降低，但是仍然>85％，高于现有传统细胞包封工艺的60％-80％的存活率。同时不同时间点的载细胞凝胶产品荧光照片如图D所示，随培养时间延长，单个微凝胶内的细胞数量明显提升，同时也能观察到单个细胞内多个细胞核的情况(第三天)，表明凝胶内搭载细胞良好的增殖活性。由此证明本发明工艺可用于进行细胞封装的微流控芯片的打印制造。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种分区固化打印微流控芯片的方法，其特征在于，所述微流控芯片的微通道按不同区块分步打印；所述不同区块由下至上依次分为基底层、微通道结构层、过渡封顶层、常规封顶层，所述过渡封顶层分为结构封顶层和通道封顶层，通道封顶层在待形成微通道的正上方；
所述基底层、微通道结构层、常规封顶层的打印参数按照所用打印机及墨水的常规打印参数设置；
打印所述通道封顶层时，先通过计算，确定打印机的曝光强度、曝光时间和所要打印层数和每层厚度，计算包括以下步骤：
S1.光固化树脂的光学特性参数测定：
测量不同梯度光照强度I和不同曝光时间t*下光固化树脂材料的聚合深度L，通过公式(1)，得到树脂对应的特征高度ha和特征剂量Dc数值；
S2.确定通道封顶层厚度ZF＝zt-zc：
zc为常规打印参数所设定的打印层厚；
zt通过公式(2)计算得到，设定Ω＜0.01，将常规打印参数的曝光强度I、曝光时间t*、步骤S1中得到的ha和Dc代入公式(2)中，计算得zt，从而得到通道封顶层厚度ZF；
S3.将通道封顶层分为N层，计算每一层厚度Zn，其中n＝1，Z1代表通道封顶层第一层层厚，n＝N，ZN代表通道封顶层第N层层厚：
令z＝0，Ω＞1，代入公式(2)，得到t*I的值；
在所用打印机精度水平下设定尽可能小的曝光时间t*，确定t*后，由t*I的值得到光照强度I，根据打印机设备的光照强度控制精度以及控制范围，选取实际使用的光照强度；
将t*I和ha、Dc代入公式(3)和公式(4)，获得能够满足Ωtol≈1、Ω′tol＞1的Z1。。。ZN及N；Ωtol为通道封顶层底面即通道封顶层第一层底面所接收到的累积紫外辐照剂量，Ω′tol为通道封顶层第二层底面所接受到的累积紫外辐照剂量；
按照得到的t*、I、打印层数及厚度打印通道封顶层；
打印所述结构封顶层时，采用与通道封顶层相同层厚，以及常规打印参数的曝光强度与曝光时间进行打印；
所用公式为：
L为单层打印聚合深度，I为光照强度，t*为曝光时间，ha和Dc分别为特定树脂对应的特征高度与特征剂量；
Ω为特定平面内接收的透射紫外辐照剂量，z为特定平面与光源间的垂直距离；
Ωn为当次打印时特定平面内接收的透射紫外辐照剂量，zl为当次打印时特定平面与紫外光源间的垂直距离；
Ωtol为特定平面内接收的透射紫外辐照累加剂量值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2得到的Z值取整数值；步骤S3得到的t*I的值取整数值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述Z值取最小整数值；所述t*I值取最小整数值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，t*≥0.1s，优选地，t*为0.1s～1s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Ωtol≤1。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通道封顶层的每一层厚度均不相同。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通道封顶层第2层至第N层的每一层打印层厚均相同，即Z1+(N-1)Zn＝Z F(n＞1)。
8.一种微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片由权利要求1-7任一项所述的方法制备得到。
9.权利要求8所述微流控芯片在微流控领域内的应用；优选地，所述应用包括微颗粒制备和细胞封装。
10.权利要求1所述的方法在打印微流控芯片中的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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