一種被稱為原位轉(zhuǎn)移光固化（IsT-VPP）的3D打印技術

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國南加州大學（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，該技術可提供以前所未有的規(guī)模在芯片上實現(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)境中進行軟光刻，需要多個勞動密集型工藝。

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

研究人員通過使用原位轉(zhuǎn)移光固化技術，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）技術使用液體光敏聚合樹脂構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。構建平臺再將打印部分向上或向下移動，以在其上構建其它的層級。

通過原位轉(zhuǎn)移光固化技術制造微流控通道

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

“當照射紫外光時，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。但其實很難控制固化的深度，因為我們的固化目標和非固化目標只有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，但它不適合構建將在顯微鏡下檢查內(nèi)容物的微流控器件。

樹脂光學特性和光劑量分布對基于立體光固化技術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，該團隊開發(fā)了一個輔助平臺，可以在光源和打印設備之間移動，阻止光線在通道壁上固化液體。

當打印通道頂部（即器件中封閉通道的頂層部分）時，輔助平臺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)移到已構建部分。所有其它層均采用標準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。”他說，“我們可以非常精確地控制它，誤差保持在±1 μm。這是以前從未實現(xiàn)過的事情，所以這是3D打印微通道的一個突破?！?/p>

基于南加州大學的立體光固化技術，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，驗證了這項技術。

用于自動化的3D打印微流控閥和樣本平臺

3D打印的粒子分選器件

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

“腫瘤細胞比正常細胞略大，正常細胞直徑約20μm，而腫瘤細胞可超100μm?！彼f，“目前，我們使用活組織來檢查癌細胞，從患者身上切下部分器官或組織，以檢查并區(qū)分健康細胞和腫瘤細胞。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胞分類，這樣那些健康的細胞就不會干擾我們的檢測。”

用于微流控器件制造的原位轉(zhuǎn)移光固化技術可以促進立體光固化在3D打印器件中的應用，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用。”陳勇教授說，“我們可以讓血液樣本流過通道，將其與其它化學物質(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。”

該研究團隊正在申請這項3D打印方法的專利，并正在尋求合作伙伴，以實現(xiàn)醫(yī)療測試器件制造技術的商業(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