據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國南加州大學(xué)（University of Southern California，USC）的研究人員開發(fā)了一種被稱為原位轉(zhuǎn)移光固化（IsT-VPP）的3D打印技術(shù)，該技術(shù)可提供以前所未有的規(guī)模在芯片上實(shí)現(xiàn)3D打印微流控通道所需的精度。

原位轉(zhuǎn)移光固化的3D打印工藝原理

利用在芯片上加工的微通道組成的緊湊型測試工具——微流控器件，可以降低藥物開發(fā)成本，并有助于醫(yī)療診斷。微流控器件的傳統(tǒng)制造方法是在潔凈室環(huán)境中進(jìn)行軟光刻，需要多個(gè)勞動(dòng)密集型工藝。

雖然3D打印為生物醫(yī)學(xué)器件制造提供了許多優(yōu)勢，但現(xiàn)有技術(shù)還不夠精密，無法完全滿足微流控所需的微結(jié)構(gòu)精度要求。

研究人員通過使用原位轉(zhuǎn)移光固化技術(shù)，能夠加工高度為10μm且精度高（在2μm水平內(nèi)）微流控通道，而無需使用降低透明度或制造速度的液體樹脂。而立體光固化（VPP）技術(shù)使用液體光敏聚合樹脂構(gòu)建需要逐層打印的部分，然后利用紫外線（UV）照射該部分，從而使每一層的樹脂固化并硬化。構(gòu)建平臺(tái)再將打印部分向上或向下移動(dòng)，以在其上構(gòu)建其它的層級(jí)。

通過原位轉(zhuǎn)移光固化技術(shù)制造微流控通道

雖然立體光固化技術(shù)可一次加工到位，但它對微流控器件的微米級(jí)通道的控制不足。紫外光光源照射到樹脂殘液中，會(huì)固化微流控通道壁內(nèi)的殘余材料。

“當(dāng)照射紫外光時(shí)，只想保持理想情況下的只固化一層通道壁，而使通道內(nèi)殘留的液態(tài)樹脂的性狀保持不變。但其實(shí)很難控制固化的深度，因?yàn)槲覀兊墓袒繕?biāo)和非固化目標(biāo)只有10μm的距離?！标愑陆淌谡f。

雖然不透明樹脂比透明樹脂的透光少，但它不適合構(gòu)建將在顯微鏡下檢查內(nèi)容物的微流控器件。

樹脂光學(xué)特性和光劑量分布對基于立體光固化技術(shù)的微流控通道制造的影響

為了在透明樹脂中創(chuàng)建微流控器件所需的微尺寸通道，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)輔助平臺(tái)，可以在光源和打印設(shè)備之間移動(dòng)，阻止光線在通道壁上固化液體。

當(dāng)打印通道頂部（即器件中封閉通道的頂層部分）時(shí)，輔助平臺(tái)用于防止光線穿透到通道內(nèi)殘留的液態(tài)樹脂上。然后通道頂部原位轉(zhuǎn)移到已構(gòu)建部分。所有其它層均采用標(biāo)準(zhǔn)立體光固化工藝打印。任何殘留在通道中的樹脂都保持液態(tài)，在打印過程結(jié)束后可以被沖洗出來，以形成通道空間。

據(jù)陳勇教授介紹，目前的商業(yè)3D打印工藝僅可在100μm精度水平上創(chuàng)建微流控通道，且對精度的控制很差。

“這是我們首次能夠打印通道高度為10μm的器件?！彼f，“我們可以非常精確地控制它，誤差保持在±1 μm。這是以前從未實(shí)現(xiàn)過的事情，所以這是3D打印微通道的一個(gè)突破?！?/p>

基于南加州大學(xué)的立體光固化技術(shù)，與常用的405nm光源和商業(yè)光固化樹脂兼容。研究人員通過制造多功能器件，包括3D蛇形微流控通道、微流控閥和粒子分選器件等，驗(yàn)證了這項(xiàng)技術(shù)。

用于自動(dòng)化的3D打印微流控閥和樣本平臺(tái)

3D打印的粒子分選器件

陳勇教授表示，新型3D打印平臺(tái)及其微尺寸通道，可以為癌癥檢測和研究帶來顯著的益處。

“腫瘤細(xì)胞比正常細(xì)胞略大，正常細(xì)胞直徑約20μm，而腫瘤細(xì)胞可超100μm?！彼f，“目前，我們使用活組織來檢查癌細(xì)胞，從患者身上切下部分器官或組織，以檢查并區(qū)分健康細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞。然而，我們可以使用簡單的微流控器件，使樣品通過具有精確打印高度的通道，從而將不同大小的細(xì)胞分類，這樣那些健康的細(xì)胞就不會(huì)干擾我們的檢測?！?/p>

用于微流控器件制造的原位轉(zhuǎn)移光固化技術(shù)可以促進(jìn)立體光固化在3D打印器件中的應(yīng)用，尤其用于需要高精度、小間隙的器件。

“微流控通道有很廣泛的應(yīng)用?！标愑陆淌谡f，“我們可以讓血液樣本流過通道，將其與其它化學(xué)物質(zhì)混合，這樣我們就可以檢測我們是否患有COVID-19或測量我們的高血糖水平?！?/p>

該研究團(tuán)隊(duì)正在申請這項(xiàng)3D打印方法的專利，并正在尋求合作伙伴，以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療測試器件制造技術(shù)的商業(yè)化。

該研究成果以《In-situ transfer vat photopolymerization for transparent microfluidic device fabrication》為題發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）期刊上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28579-z

審核編輯 ：李倩