基于增材制造的个性化微流控芯片定制方法及关键技术研究

发布时间：2020-10-11 10:27

　　 微流控技术是一项涉及化学、生物、医学、力学等领域的交叉学科研究技术,凭借其样品用量少、检测精度高及分析时间短的优势,该技术在近30年的发展中获得了广泛的应用。虽然以软光刻及热压印等技术为代表的传统微流控芯片加工工艺,能够实现微流控芯片的批量制造,但不论在芯片流道结构构造还是在芯片制造材料方面,传统工艺仍有诸多局限。3D打印,又称增材制造,作为一种三维实体快速成型技术,能够满足微流控芯片从二维至三维微流道结构的发展要求,并且具有小批量快速化定制、生产自动化、制造成本较低等优点。目前,微流控芯片3D打印研究仍面临诸多挑战,包括:(1)可用于芯片打印的材料仍有很大限制,如芯片制造上常用的PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料,目前还未有合适的工艺实现其打印;(2)打印芯片的精度及质量不及传统工艺,尤其是3D打印中固有的台阶纹效应增大了流道表面粗糙度;(3)打印芯片效率仍有待提高,如打印单个芯片过程通常需要几个小时,并且与传统的热压印、注塑、软光刻等利用模具批量制造芯片的方法相比,每个打印的芯片均需单独处理,致使打印芯片仍难以满足批量生产要求;(4)微流控芯片接口的设计缺乏标准化,导致不同工艺制造的芯片因接口不一难以相互集成,故3D打印芯片的定制化优势仍难以发挥,使得打印芯片的快速设计与制造受到限制。因此,结合不同3D打印技术,通过设计打印工艺规避3D打印的精度局限,并将3D打印芯片应用于化学、生物等领域研究中,值得深入探讨。本文围绕光固化成型及材料挤出成型等典型3D打印工艺,针对差异化的应用场景,提出了不同的微流控芯片3D打印方法,并将其应用于生物医学研究。论文的主要研究内容和成果如下:(1)微流控芯片的基础是微流道内流体流动的可控,故对微流道制造的要求是保证流道表面的光滑、流道尺寸的制造精度及芯片的密封性。而现有微流控芯片打印中由于3D打印所固有的台阶纹效应,成型流道表面通常较粗糙。针对光滑微流道的制造需求,提出了 一种基于牺牲层工艺的微流控芯片3D打印新方法,可实现带光滑流道的PDMS材料芯片打印。该方法原理是利用熔融牺牲层材料(优选为麦芽糖醇)在挤出冷却成型时,熔融材料自身表面张力所带来的自光滑效应使得微流道表面光滑。牺牲层打印工艺流程包括:首先,以易溶性的麦芽糖醇作为牺牲材料,打印得到可牺牲流道结构,同时打印PDMS并固化实现芯片成型后,溶解去除芯片内部的麦芽糖醇得到中空流道从而实现微流控芯片的打印,且整体芯片一次成型无需后续封装处理。搭建了基于该方法的双喷头打印系统,通过工艺实验探究,可借助不同打印参数精确控制打印流道尺寸。同时,利用打印的PDMS材料作为每层结构的支撑材料,实现了支撑结构辅助下的复杂结构微流控芯片打印。(2)目前,微流控芯片朝着小型化、低成本、即时检测的趋势发展,而其核心是快速定制微流控芯片,要求实现微流控芯片从设计到制造的快速响应。故结合发展趋势,微流控芯片3D打印中亟需解决的是芯片打印时间问题,即将芯片制造时间缩短至一小时以内,从而提高芯片制造效率。而与其他类型3D打印技术相比,DLP(数字光处理)技术凭借面曝光的成型原理具有较高的芯片打印速度,能够在几分钟内完成芯片的制造并且保证较高的制造精度。为解决芯片打印效率低的问题,本文结合DLP技术研究了快速直接一体化打印树脂材质微流控芯片的工艺,为微流控芯片的快速制造提供技术基础。基于DLP打印工艺实现了整体集成化芯片的制造,同时针对芯片3D打印中残余树脂堵塞流道问题,基于开放式流道设计,利用透明胶封装打印芯片完成了具有复杂精细微结构的微流控芯片制造。系统地研究了不同打印工艺参数对3D打印芯片成型精度及成型表面质量的影响规律,并从芯片亲/疏水性能及生物相容性方面对芯片打印材料进行了具体表征。(3)芯片常用的PDMS材料具有优良的透光透气性能及良好的生物相容性,而微流控芯片打印中批量制造PDMS芯片仍难以实现。通过借鉴传统工艺利用芯片模具批量复制PDMS芯片的思路,将3D打印模具应用于微流控芯片的定制化批量制造中,不仅可以解决单独打印PDMS芯片耗时较长的问题,还能解决芯片模具制造时间长问题。因此,本文从快速批量定制PDMS芯片需求出发,研究了基于3D打印模具制备PDMS芯片的工艺,结合微流控芯片快速封装方法,提高了芯片制造效率。首先通过大量工艺实验,对比分析了不同3D打印技术制备模具及成型PDMS芯片的能力,为选择合适的3D打印技术制造模具提供参数化评估手段。同时,从理论仿真分析到实验验证具体探究了快速可逆封装PDMS芯片的可靠性。该芯片制造工艺兼具模具结构快速定制和PDMS芯片批量制造的优点,且解决了常规实验环境下微流控芯片稳定、简便封装的需求。(4)一体化集成芯片打印面临多次优化、制造难度大的问题,如不同功能组件难以在同一芯片上兼容,而芯片模块化设计可以解决以上问题,但是微流控芯片接口缺乏标准化导致模块化芯片成本过高,限制了模块化芯片的应用。因此,本文利用3D打印技术快速定制化的优势解决模块化芯片定制成本问题,提出了一种基于3D打印的模块化芯片制造方法,可以实现微流控芯片功能的快速重构。首先对微流控系统功能结构进行模块化分解,并利用不同3D打印方法制造树脂材质芯片模块及PDMS材质模块。然后基于微流控芯片重构方案,利用快速接口的方式组装树脂模块完成树脂芯片的制造。而对PDMS材质模块,采用可逆封装的形式完成PDMS芯片的制造。此外,结合生物3D打印技术在芯片上打印细胞、组织模型的能力,在3D打印模块化芯片基础上,实现了微型生物反应器的制造。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN492
【部分图文】：

ＬｉｇｈｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，?ＤＬＰ）、双光子聚合３Ｄ打印技术（Ｔｗｏ－ｐｈｏｔｏｎＰｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ，?ＴＰＰ）等。??ＳＬＡ技术作为目前应用比较广泛的３Ｄ打印技术之一，最早由Ｈｕｌｌ［２１］提出并成为较早商??业化应用的３Ｄ打印技术。其技术原理如图１．２所示，通过利用ＵＶ激光激发光聚合反应实现??光敏树脂的固化来完成打印实体的构建，整体打印件构建在充满液态光敏树脂的液槽中，??激光束逐层扫描并固化液槽中树脂表面，待该层树脂固化后打印平台下降至液槽中，激光??束继续固化液态树脂表面，如此逐层打印完成整体结构的制造。该技术最大优点是具有较??高的打印精度及较好的成型表面，但由于打印件需逐层没入充满光敏树脂的液槽中，打印??件整体可成型尺寸范围与液槽的尺寸有关即更大的成型件需要更大相应尺寸的液槽及光??敏树脂。并且，打印材料局限于光敏树脂材料，材料可选择范围受到一定限制。由于其技??术原理上要求激光束逐点扫描，限制了其打印速度。??激光束?透镜?Ｘ－Ｙ扫描振铤??＇?、广＂７?一?－?，?Ｍ??瀲年ｆ—?／?、、

喷墨打印技术由传统喷墨打印机发展而来［２３］，借助热泡式或者压电式的驱动方??式［２４］，喷墨打印喷头能够喷射熔化的蜡状材料至打印平台，蜡状材料在打印平台上冷却后??固化，原理如图１．３?（ａ）所示。通过逐层沉积的方式，蜡状材料最终形成打印实体，同时??对于悬空结构，打印机喷射另外的支撑材料解决支撑结构的问题。尽管喷墨打印技术具有??较高的打印精度及成型质量，但可选打印材料局限于蜡状材料。针对此类问题，在喷墨打??印技术的基础上，发展出了使用光敏树脂材料作为打印材料的光聚合物喷射技术??（ＰｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒＪｅｔｔｉｎｇ），其原理如图１．３?（ｂ）所示。首先，喷墨打印喷头喷射光敏树脂液??滴至打印平台，当完成一层结构的沉积后，通过ＵＶ固化光源的照射使该层结构固化，然后??重复以上步骤实现多层结构的打印直至整体结构成型。通常对于含悬空结构的实体模型，??支撑材料同样被引入作为支撑结构的喷射材料。目前，商业化的光聚合物喷射设备中，０ｂｊｅｔ??公司的Ｐｏｌｙｊｅｔ技术、３Ｄ?Ｓｙｓｔｅｍｓ公司的ＭＪＭ技术等均属于光聚合物喷射技术。??（３）轴合剂喷射成型（ＢｉｎｄｅｒＪｅｔｔｉｎｇ）??粘合剂喷射成型技术是使用粉末材料和粘合剂作为成型材料

＾―＾ｖｖ??ｔ?ｍＵｉｉｆＷｔ＾ｆ?ｃｏｔｒ－??图１．４枯合剂喷射成型（ＢｉｎｄｅｒＪｅｔｔｉｎｇ）原理不意图（来源：ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ．ｃｏｍ）。??粘合剂喷射成型因其技术特点具有成型较快、成本较低的优点，并且成型材料范围包??含大部分聚合物、陶瓷材料等［２５］。但是，粘合剂的物理和化学特性影响最终成型实体的机??械性能，粉末材料和粘合剂的结合共同决定了成型实体的表面质量及机械特性，且由于材??料颗粒中光散射的缘故成型实体很难满足透光性的要求［２６］。??（４）材料挤出成型（Ｍａｔｅｒｉａｌ?Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）??Ｉ?，幽气??綱绿，：球■麵??支撑?ＭＷ?／??．）：Ｈ??成洲科?，，?－ｉｊｊｌｆｒ?－??．？－：－？?、．＇?…．，?
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 赵云;向中华;;液滴式微流控芯片制备沸石咪唑骨架材料[J];科学通报;年期

2 蒋丽莉;郑峻松;李艳;邓均;方立超;黄辉;;基于微流控芯片的体外血脑屏障模型构建[J];中国生物工程杂志;2017年12期

3 孟婷婷;;微流控芯片的发展历程[J];山东工业技术;2018年13期

4 任苹;刘京;蔺日胜;刘杨;黄美莎;胡胜;徐友春;李彩霞;;基于微流控芯片的72重单核苷酸多态性族群推断系统的构建[J];色谱;2018年07期

5 李亚楠;丁伟;;自制简易微流控芯片在中学化学实验中的应用[J];教育与装备研究;2017年08期

6 许亮亮;邹正;窦宇宸;王汉扬;;基于STEM理念的中学化学创新实验研究——微流控芯片的制备[J];中学化学教学参考;2017年17期

7 孟彦羽;姜松;;论化工原理教学改革与微流控芯片的关系[J];广州化工;2017年04期

8 方义;覃璐曼;刘侃;张南刚;;基于可开启微流控芯片的循环肿瘤细胞捕获及单个细胞的提取[J];电脑知识与技术;2017年03期

9 宋千会;鹿爱娟;陈俊芳;陈传品;;微流控芯片安培检测分析方法的研究进展[J];科技风;2017年10期

10 刘春梅;王洋;吴元庆;张金晶;姚素英;陆晓东;周涛;;应用于生物荧光检测的微流控芯片的研究[J];人工晶体学报;2017年06期

相关博士学位论文 前10条

1 张炎;微流控芯片电泳及其在生化分析中的应用研究[D];华东师范大学;2018年

2 赵毅;基于微流控芯片的肿瘤细胞三维共培养模型的建立及应用[D];重庆大学;2017年

3 邱京江;基于增材制造的个性化微流控芯片定制方法及关键技术研究[D];浙江大学;2018年

4 王雪莹;基于体外血管网络的三维细胞微环境构建[D];武汉大学;2014年

5 李林梅;基于微流控芯片的细胞培养及实时电化学检测[D];武汉大学;2013年

6 向霞;荧光比色液滴微流控芯片检测核酸及蛋白质[D];武汉大学;2013年

7 肖荣荣;浓度梯度微流控芯片用于海马神经元导向研究[D];武汉大学;2015年

8 张淑慧;基于纳米电化学探针与微流控芯片的神经细胞分析方法研究[D];武汉大学;2013年

9 余旭;微流控芯片上微区磁场调控及其应用[D];武汉大学;2013年

10 王蕾;用于微流控芯片液体驱动的仿叶结构微泵研究[D];大连理工大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 张文斌;微流控芯片胶粘键合工艺及设备研制[D];广东工业大学;2018年

2 张雅婷;微流控芯片技术在生化样品分析中的应用研究[D];华东师范大学;2018年

3 吴万豪;二氧化硅均孔膜的大面积制备、分子筛分和微流控芯片样品纯化[D];浙江大学;2018年

4 胡增亮;聚合物微流控芯片的加工工艺及相关实验研究[D];辽宁工业大学;2018年

5 石一豆;微流控芯片液滴结合酶联免疫反应检测细胞表面蛋白EpCAM的研究[D];大连医科大学;2018年

6 田静;基于微流控芯片技术的肺癌循环肿瘤细胞的检测及其临床意义[D];大连医科大学;2018年

7 胡文锦;飞秒激光制备的功能化微流控芯片的研究[D];中国科学技术大学;2018年

8 王春静;微流控芯片多路荧光检测系统的研究[D];东北大学;2015年

9 赵攀斐;微流控芯片上氧气梯度的建立及应用[D];东北大学;2015年

10 吴玲海;聚合物微流控芯片真空热压键合系统研究[D];广东工业大学;2018年

本文编号：2836462