变截面微流控芯片牺牲层3D打印工艺研究

• 作 者: 田佳陇
• 出 处: 浙江大学
• 发表日期: 2021年06期
• 关键词: 3D打印 微流控芯片 变截面流道 熔融沉积成型 器官芯片 水凝胶 细胞培养

微流控在化学、生物、医学等领域具有广泛的应用前景,已经发展成为一个流体、机械、电子、生物、化学、医学、材料等多学科交叉的研究领域。微流控芯片作为微流控技术的载体,其制造材料和内部流道结构等要求又使得微流控芯片的制造工艺面临大量难题。传统的以软光刻为代表的加工技术虽然能够实现微流控芯片的批量制造,但从流道结构、芯片材料、成本等方面来看,传统工艺具有较大局限性。而3D打印的兴起,有望解决这些问题。3D打印可设计性强和高度自动化等特点,正好契合了微流控芯片批量小、成本低、响应快速等需求,有望成为新型的微流控芯片制造方法。考虑到传统微流控芯片主要依赖经典微加工方法制造,其流道截面多为矩形、梯形及圆形结构,流道截面的单一形态,使得芯片的可流可控设计缺少了很多维度,也使得流道及芯片更多局限在二维形态。能否借助3D打印技术,实现异形的流道截面,通过对流道截面的调控实现芯片的可流可控,从而实现真正的三维微流控芯片?课题组2015年提出了一种牺牲层工艺的微流控芯片制造方法,通过以可溶性糖类材料作为流道打印的牺牲层材料,通过打印后浇筑PDMS再浸入水中取出可溶性牺牲层的方式实现了微流控芯片的打印。本论文基于这一研究,为了使微流控芯片内部流道的结构设计具有更高的可设计性和自由度,提出围绕变截面微流控芯片概念,通过对牺牲层工艺进行提升,实现了PDMS和Gel MA水凝胶材料的变截面微流控芯片的3D打印。论文的具体工作如下:1.研究了基于牺牲层原理的微流控芯片制造工艺。首先,依据基于牺牲层原理的微流控芯片制造方法对现有的3D打印机进行简单改进。然后,系统探究了喷头温度、挤出气压、打印速度对糖丝直径的影响,实现了指定糖丝直径的稳定、精确制造。接着,提出了微流道结构中普遍存在的分叉结构的优化打印工艺,并验证了其制造稳定性。这些为后续的工艺研究奠定了坚实的基础。2.提出了变截面微流控芯片概念及其打印工艺。首先,对3D打印原理进行分析,给出变截面微流控芯片打印方案。然后,对打印工艺进行改进研究后,制作出了具有复杂结构的PDMS变截面微流控芯片示例。最后,用具有分叉结构和变截面流道的PDMS微流控芯片进行了简单的细胞培养,模拟血管中的血栓结构,验证了生物相容性,展示了应用潜力。3.进一步提出了基于水凝胶材料的变截面微流控芯片制造工艺。首先,提出了一种在糖表面添加高分子涂层的工艺,解决了糖丝在水凝胶中溶解过快,变形较大的主要问题。此外,针对水凝胶两次固化接合面强度低的问题,又探究了一体成型的制造工艺。又根据新提出的工艺方法和水凝胶特有的溶胀特性对制造稳定性进行分析。4.制作出成骨化器官芯片,使用人体内皮细胞和骨髓间充质干细胞进行三维培养,通过对两种细胞的活/死、骨架、迁移等状态的分析,充分展示了凝胶基微流控芯片的生物相容性,及其比PDMS芯片更广阔的生物医学应用前景。