微流控技術(shù)是一項涉及化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、力學(xué)等領(lǐng)域的交叉學(xué)科研究技術(shù),憑借其樣品用量少、檢測精度高及分析時間短的優(yōu)勢,該技術(shù)在近30年的發(fā)展中獲得了廣泛的應(yīng)用。雖然以軟光刻及熱壓印等技術(shù)為代表的傳統(tǒng)微流控芯片加工工藝,能夠?qū)崿F(xiàn)微流控芯片的批量制造,但不論在芯片流道結(jié)構(gòu)構(gòu)造還是在芯片制造材料方面,傳統(tǒng)工藝仍有諸多局限。3D打印,又稱增材制造,作為一種三維實體快速成型技術(shù),能夠滿足微流控芯片從二維至三維微流道結(jié)構(gòu)的發(fā)展要求,并且具有小批量快速化定制、生產(chǎn)自動化、制造成本較低等優(yōu)點。目前,微流控芯片3D打印研究仍面臨諸多挑戰(zhàn),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,目前還未有合適的工藝實現(xiàn)其打印;(2)打印芯片的精度及質(zhì)量不及傳統(tǒng)工藝,尤其是3D打印中固有的臺階紋效應(yīng)增大了流道表面粗糙度;(3)打印芯片效率仍有待提高,如打印單個芯片過程通常需要幾個小時,并且與傳統(tǒng)的熱壓印、注塑、軟光刻等利用模具批量制造芯片的方法相比,每個打印的芯片均需單獨處理,致使打印芯片仍難以滿足批量生產(chǎn)要求;(4)微流控芯片接口的設(shè)計缺乏標(biāo)準(zhǔn)化,導(dǎo)致不同工藝制造的芯片因接口不一難以相互集成,故3D打印芯片的定制化優(yōu)勢仍難以發(fā)揮,使得打印芯片的快速設(shè)計與制造受到限制。因此,結(jié)合不同3D打印技術(shù),通過設(shè)計打印工藝規(guī)避3D打印的精度局限,并將3D打印芯片應(yīng)用于化學(xué)、生物等領(lǐng)域研究中,值得深入探討。本文圍繞光固化成型及材料擠出成型等典型3D打印工藝,針對差異化的應(yīng)用場景,提出了不同的微流控芯片3D打印方法,并將其應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究。論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)微流控芯片的基礎(chǔ)是微流道內(nèi)流體流動的可控,故對微流道制造的要求是保證流道表面的光滑、流道尺寸的制造精度及芯片的密封性。而現(xiàn)有微流控芯片打印中由于3D打印所固有的臺階紋效應(yīng),成型流道表面通常較粗糙。針對光滑微流道的制造需求,提出了 一種基于犧牲層工藝的微流控芯片3D打印新方法,可實現(xiàn)帶光滑流道的PDMS材料芯片打印。該方法原理是利用熔融犧牲層材料(優(yōu)選為麥芽糖醇)在擠出冷卻成型時,熔融材料自身表面張力所帶來的自光滑效應(yīng)使得微流道表面光滑。犧牲層打印工藝流程包括:首先,以易溶性的麥芽糖醇作為犧牲材料,打印得到可犧牲流道結(jié)構(gòu),同時打印PDMS并固化實現(xiàn)芯片成型后,溶解去除芯片內(nèi)部的麥芽糖醇得到中空流道從而實現(xiàn)微流控芯片的打印,且整體芯片一次成型無需后續(xù)封裝處理。搭建了基于該方法的雙噴頭打印系統(tǒng),通過工藝實驗探究,可借助不同打印參數(shù)精確控制打印流道尺寸。同時,利用打印的PDMS材料作為每層結(jié)構(gòu)的支撐材料,實現(xiàn)了支撐結(jié)構(gòu)輔助下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)微流控芯片打印。(2)目前,微流控芯片朝著小型化、低成本、即時檢測的趨勢發(fā)展,而其核心是快速定制微流控芯片,要求實現(xiàn)微流控芯片從設(shè)計到制造的快速響應(yīng)。故結(jié)合發(fā)展趨勢,微流控芯片3D打印中亟需解決的是芯片打印時間問題,即將芯片制造時間縮短至一小時以內(nèi),從而提高芯片制造效率。而與其他類型3D打印技術(shù)相比,DLP(數(shù)字光處理)技術(shù)憑借面曝光的成型原理具有較高的芯片打印速度,能夠在幾分鐘內(nèi)完成芯片的制造并且保證較高的制造精度。為解決芯片打印效率低的問題,本文結(jié)合DLP技術(shù)研究了快速直接一體化打印樹脂材質(zhì)微流控芯片的工藝,為微流控芯片的快速制造提供技術(shù)基礎(chǔ)�；贒LP打印工藝實現(xiàn)了整體集成化芯片的制造,同時針對芯片3D打印中殘余樹脂堵塞流道問題,基于開放式流道設(shè)計,利用透明膠封裝打印芯片完成了具有復(fù)雜精細(xì)微結(jié)構(gòu)的微流控芯片制造。系統(tǒng)地研究了不同打印工藝參數(shù)對3D打印芯片成型精度及成型表面質(zhì)量的影響規(guī)律,并從芯片親/疏水性能及生物相容性方面對芯片打印材料進(jìn)行了具體表征。(3)芯片常用的PDMS材料具有優(yōu)良的透光透氣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芯片仍難以實現(xiàn)。通過借鑒傳統(tǒng)工藝?yán)眯酒＞吲繌?fù)制PDMS芯片的思路,將3D打印模具應(yīng)用于微流控芯片的定制化批量制造中,不僅可以解決單獨打印PDMS芯片耗時較長的問題,還能解決芯片模具制造時間長問題。因此,本文從快速批量定制PDMS芯片需求出發(fā),研究了基于3D打印模具制備PDMS芯片的工藝,結(jié)合微流控芯片快速封裝方法,提高了芯片制造效率。首先通過大量工藝實驗,對比分析了不同3D打印技術(shù)制備模具及成型PDMS芯片的能力,為選擇合適的3D打印技術(shù)制造模具提供參數(shù)化評估手段。同時,從理論仿真分析到實驗驗證具體探究了快速可逆封裝PDMS芯片的可靠性。該芯片制造工藝兼具模具結(jié)構(gòu)快速定制和PDMS芯片批量制造的優(yōu)點,且解決了常規(guī)實驗環(huán)境下微流控芯片穩(wěn)定、簡便封裝的需求。(4)一體化集成芯片打印面臨多次優(yōu)化、制造難度大的問題,如不同功能組件難以在同一芯片上兼容,而芯片模塊化設(shè)計可以解決以上問題,但是微流控芯片接口缺乏標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)致模塊化芯片成本過高,限制了模塊化芯片的應(yīng)用。因此,本文利用3D打印技術(shù)快速定制化的優(yōu)勢解決模塊化芯片定制成本問題,提出了一種基于3D打印的模塊化芯片制造方法,可以實現(xiàn)微流控芯片功能的快速重構(gòu)。首先對微流控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化分解,并利用不同3D打印方法制造樹脂材質(zhì)芯片模塊及PDMS材質(zhì)模塊。然后基于微流控芯片重構(gòu)方案,利用快速接口的方式組裝樹脂模塊完成樹脂芯片的制造。而對PDMS材質(zhì)模塊,采用可逆封裝的形式完成PDMS芯片的制造。此外,結(jié)合生物3D打印技術(shù)在芯片上打印細(xì)胞、組織模型的能力,在3D打印模塊化芯片基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了微型生物反應(yīng)器的制造。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN492
【部分圖文】：

ＬｉｇｈｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，?ＤＬＰ）、雙光子聚合３Ｄ打印技術(shù)（Ｔｗｏ－ｐｈｏｔｏｎＰｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ，?ＴＰＰ）等。??ＳＬＡ技術(shù)作為目前應(yīng)用比較廣泛的３Ｄ打印技術(shù)之一，最早由Ｈｕｌｌ［２１］提出并成為較早商??業(yè)化應(yīng)用的３Ｄ打印技術(shù)。其技術(shù)原理如圖１．２所示，通過利用ＵＶ激光激發(fā)光聚合反應(yīng)實現(xiàn)??光敏樹脂的固化來完成打印實體的構(gòu)建，整體打印件構(gòu)建在充滿液態(tài)光敏樹脂的液槽中，??激光束逐層掃描并固化液槽中樹脂表面，待該層樹脂固化后打印平臺下降至液槽中，激光??束繼續(xù)固化液態(tài)樹脂表面，如此逐層打印完成整體結(jié)構(gòu)的制造。該技術(shù)最大優(yōu)點是具有較??高的打印精度及較好的成型表面，但由于打印件需逐層沒入充滿光敏樹脂的液槽中，打印??件整體可成型尺寸范圍與液槽的尺寸有關(guān)即更大的成型件需要更大相應(yīng)尺寸的液槽及光??敏樹脂。并且，打印材料局限于光敏樹脂材料，材料可選擇范圍受到一定限制。由于其技??術(shù)原理上要求激光束逐點掃描，限制了其打印速度。??激光束?透鏡?Ｘ－Ｙ掃描振鋌??＇?、廣＂７?一?－?，?Ｍ??瀲年ｆ—?／?、、

噴墨打印技術(shù)由傳統(tǒng)噴墨打印機發(fā)展而來［２３］，借助熱泡式或者壓電式的驅(qū)動方??式［２４］，噴墨打印噴頭能夠噴射熔化的蠟狀材料至打印平臺，蠟狀材料在打印平臺上冷卻后??固化，原理如圖１．３?（ａ）所示。通過逐層沉積的方式，蠟狀材料最終形成打印實體，同時??對于懸空結(jié)構(gòu)，打印機噴射另外的支撐材料解決支撐結(jié)構(gòu)的問題。盡管噴墨打印技術(shù)具有??較高的打印精度及成型質(zhì)量，但可選打印材料局限于蠟狀材料。針對此類問題，在噴墨打??印技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了使用光敏樹脂材料作為打印材料的光聚合物噴射技術(shù)??（ＰｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒＪｅｔｔｉｎｇ），其原理如圖１．３?（ｂ）所示。首先，噴墨打印噴頭噴射光敏樹脂液??滴至打印平臺，當(dāng)完成一層結(jié)構(gòu)的沉積后，通過ＵＶ固化光源的照射使該層結(jié)構(gòu)固化，然后??重復(fù)以上步驟實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的打印直至整體結(jié)構(gòu)成型。通常對于含懸空結(jié)構(gòu)的實體模型，??支撐材料同樣被引入作為支撐結(jié)構(gòu)的噴射材料。目前，商業(yè)化的光聚合物噴射設(shè)備中，０ｂｊｅｔ??公司的Ｐｏｌｙｊｅｔ技術(shù)、３Ｄ?Ｓｙｓｔｅｍｓ公司的ＭＪＭ技術(shù)等均屬于光聚合物噴射技術(shù)。??（３）軸合劑噴射成型（ＢｉｎｄｅｒＪｅｔｔｉｎｇ）??粘合劑噴射成型技術(shù)是使用粉末材料和粘合劑作為成型材料

＾―＾ｖｖ??ｔ?ｍＵｉｉｆＷｔ＾ｆ?ｃｏｔｒ－??圖１．４枯合劑噴射成型（ＢｉｎｄｅｒＪｅｔｔｉｎｇ）原理不意圖（來源：ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ．ｃｏｍ）。??粘合劑噴射成型因其技術(shù)特點具有成型較快、成本較低的優(yōu)點，并且成型材料范圍包??含大部分聚合物、陶瓷材料等［２５］。但是，粘合劑的物理和化學(xué)特性影響最終成型實體的機??械性能，粉末材料和粘合劑的結(jié)合共同決定了成型實體的表面質(zhì)量及機械特性，且由于材??料顆粒中光散射的緣故成型實體很難滿足透光性的要求［２６］。??（４）材料擠出成型（Ｍａｔｅｒｉａｌ?Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）??Ｉ?，幽氣??綱綠，：球■麵??支撐?ＭＷ?／??．）：Ｈ??成洲科?，，?－ｉｊｊｌｆｒ?－??．？－：－？?、．＇?…．，?
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本文編號：2836462