甜蜜的芯片打印-用于三维微流控芯片制造的3D打印机

甜蜜的芯片打印-用于三维微流控芯片制造的3D打印机Printing 3D microfluidic chips with a 3D sugarprinter, Email: yongqin@zju.edu.cn

摘要:三维微流控芯片具有集成度高、流道结构复杂,在流体操控、生物化学分析检测、药物筛选、片上器官等领域有着广泛的应用前景,一向是微流控芯片研究领域的难点。微流控芯片制造中常用的光刻及刻蚀等传统MEMS工艺进行三维微流控芯片的制造工艺繁琐、成本高昂,这也是目前三维微流控芯片报道较少的原因。浙江大学浙江省三维打印工艺与装备重点实验室研究人员经过两年多的研究探索、成功研发了用于三维微流控芯片制造的3D打印机,并基于打印出的芯片进行了细胞立体培养,展示了该3D打印机在微流控领域的广阔应用前景。

 

微流控芯片(microfluidic chips)及基于微流控芯片的微全分析系统/芯片实验室(Lab on a chip)及片上器官(Organ on a chip)在基于微流体的生化分析、检测、操控、细胞培养、药物筛选等领域有着极其广泛的应用。而具有三维流道结构的3D微流控芯片,具有集成度高、可真正实现三维的流动及操控,相比目前常用二维微流控芯片具有更为广泛的应用前景。实现三维微流控芯片的制造业一直是业界的研究热点及研究难点。众多研究人员基于传统的MEMS光刻制造工艺,发展了一些三维微流控芯片的制造方法,但制造工艺繁琐、成本高昂,难以真正实用。目前也有使用三维打印机进行微流控芯片制造的报道,但类似光固化类的三维打印机受困于分辨率,使得打印出的流道有诸多局限。如材料的限制,不能使用微流控芯片分析领域常用的、已被大量实验证实可靠的材料,同时微流道表面粗糙,不透明使其进行后续的流体操纵及分析也有很大的局限。

 

浙江大学浙江省三维打印工艺与装备重点实验室研究人员提出了一种基于熔融牺牲层工艺的三维微流控纸芯片的3D打印制造方法。通过课题组自行研发的三维打印机,将熔化的糖打印出来作为三维流道的牺牲层材料,将液态PDMS打印出来作为芯片的主体材料。待PDMS固化后,将芯片放到水中溶解掉牺牲层,即可实现三维微流控芯片的制造。其重要优点有

1、使用微流控芯片中常用的PDMS材料作为芯片的主体材料,无毒、透明、透气,可确保其能广泛应用于各种生化分析、片上器官等研究中。

2、熔融的糖作为牺牲层材料,由于表面张力作用,打印出的结构表面光滑,可实现光滑流道的制造。

3、糖极易溶于水,便于牺牲层的快速去除。

 

3D微流控芯片打印机原理图

 


打印三维立体网络结构的芯片

 

糖打印机打印的二维及三维微流控芯片

微流控芯片细胞培养

 

目前该成果已在Springer旗下的Microfluidics and Nanofluidics期刊发表,题为“Printing 3D microfluidic chips with a 3D sugar printer”。

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