3D打印光固化技術(shù)在微流控器件打印中的應(yīng)用

微流控芯片（Microfluidic Chips），是一種在微米尺度（特征長度通常為1微米至1毫米）上精確控制和操控流體的技術(shù)平臺。它通過微加工技術(shù)，將生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)分析過程中涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元，高度集成到一塊僅幾平方厘米甚至更小的芯片上，因此也被譽(yù)為“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”（Lab-on-a-chip）。
 
光固化技術(shù)是3D打印制備微流控器件的核心技術(shù)之一，主要包括立體光刻（SLA）與數(shù)字光投影（DLP）兩種類型，憑借高打印精度（10-100μm）、快速固化、表面質(zhì)量優(yōu)異、成本適中的優(yōu)勢，成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高精度微流控器件（如微反應(yīng)器、微混合器、集成功能模塊器件）打印的理想選擇，其核心應(yīng)用可從技術(shù)特性支撐與典型案例兩方面展開：

一、技術(shù)特性對微流控器件需求的適配性
光固化技術(shù)的核心機(jī)制是通過特定波長（365-405nm）光源照射光敏聚合物（由單體、低聚物、光引發(fā)劑組成），引發(fā)聚合固化，再通過打印平臺沿Z軸分層堆疊形成三維結(jié)構(gòu)，工作原理如下圖所示。
  該技術(shù)天然適配微流控器件需求：
1. 高精度與細(xì)尺度制造：可實(shí)現(xiàn)亞微米至微米級微通道（最小43μm）與復(fù)雜流道網(wǎng)絡(luò)（如螺旋、陣列孔結(jié)構(gòu)），滿足微流控“小尺度效應(yīng)”對通道尺寸（10-500μm）的要求；且不同打印方向（自上而下/自下而上）的結(jié)構(gòu)差異可按需選擇；
2. 光學(xué)透明性：光敏樹脂固化后通常具備高可見光透過率，支持微流控器件的實(shí)時光學(xué)監(jiān)測（如流體流動觀察、反應(yīng)過程追蹤）；
3. 快速原型迭代：固化速度快（DLP可實(shí)現(xiàn)面固化），能快速驗(yàn)證微流控器件的流道設(shè)計合理性，縮短研發(fā)周期；
4. 多材料集成潛力：可通過多樹脂切換實(shí)現(xiàn)功能材料（如絕緣樹脂+導(dǎo)電樹脂）的一體化打印，為集成傳感、催化等功能的微流控器件提供可能。

二、典型應(yīng)用案例
光固化技術(shù)在不同功能微流控器件中的應(yīng)用，覆蓋催化、納米材料合成、分離等化工場景，關(guān)鍵案例如下：
1. 多材料與復(fù)雜結(jié)構(gòu)微流控器件制造
Quero 團(tuán)隊案例：開發(fā)多材料光固化3D打印機(jī)，通過原料槽傾斜系統(tǒng)與嵌入式蠕動泵實(shí)現(xiàn)2種以上樹脂的切換與清潔，成功打印含導(dǎo)電電極的微流控芯片—在絕緣樹脂層間沉積5層10μm厚的導(dǎo)電樹脂作為電極，制備的微通道最小尺寸達(dá)43μm，解決了傳統(tǒng)單材料打印難以集成功能組件的問題。
  2. 微分離器件制造
Han 團(tuán)隊案例：采用SLA-DLP復(fù)合光固化技術(shù)，制備尺寸僅250μm的微旋風(fēng)分離器（μHC微反應(yīng)器），該器件的三維截面與實(shí)物圖如下圖所示。
 
基于光固化成型的μHC微反應(yīng)器三維橫截面及μHC微反應(yīng)器照片
該器件可高效分離亞微米顆粒，最小分離粒徑達(dá)3.7μm，突破了傳統(tǒng)微加工難以制備小型化分離結(jié)構(gòu)的局限，適用于微量流體中顆粒的快速分離。

3. 催化反應(yīng)微反應(yīng)器制造
Mei 團(tuán)隊案例：以含Al₂O₃/SiO₂顆粒的光敏樹脂為原料，通過SLA技術(shù)打印方形、圓形、菱形陣列孔結(jié)構(gòu)的碳—陶瓷復(fù)合微反應(yīng)器。
  經(jīng)氮?dú)鉄�結(jié)保留12.86wt%熱解碳，抑制陶瓷顆粒收縮，將載體比表面積提升至0.509m²/g（是傳統(tǒng)空氣燒結(jié)載體的7倍以上），負(fù)載MoS₂催化劑后，RhB降解效率達(dá)45.95%（是純MoS₂的1.97倍），5次循環(huán)后效率仍保持82.35%，適用于環(huán)境催化場景。

4. 納米材料合成微反應(yīng)器制造
Riche 團(tuán)隊案例：以Somos Watershed XC 11122光敏樹脂為原料，通過SLA技術(shù)制備液滴型微反應(yīng)器。 設(shè)計三維流道實(shí)現(xiàn)“流不敏感”液滴生成—即使流速波動，仍能穩(wěn)定產(chǎn)生單分散液滴（粒徑跨度達(dá)4個數(shù)量級），支持多通道并行操作。用于鉑納米顆粒（Pt NPs）連續(xù)合成時，反應(yīng)產(chǎn)率較傳統(tǒng)批次工藝近乎翻倍，離子液體可循環(huán)使用3次仍保持純度與反應(yīng)活性，同時通過液滴隔離機(jī)制避免微通道堵塞。
Kumar 團(tuán)隊案例：通過SLA技術(shù)制造多層集成微流控芯片 設(shè)計非平面多通道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)亞秒級（<1s）銀納米顆粒（Ag NPs）合成，產(chǎn)物平均粒徑35nm且無需后處理；結(jié)合多物理場模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，化學(xué)發(fā)光傳感信號強(qiáng)度提升>1300%，還建立了實(shí)驗(yàn)參數(shù)的智能預(yù)測模型，適用于快速納米合成與智能傳感一體化場景。

三、應(yīng)用中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)
盡管光固化技術(shù)在微流控器件打印中優(yōu)勢顯著，仍面臨部分局限：
化學(xué)穩(wěn)定性不足：多數(shù)光敏樹脂耐有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸強(qiáng)堿能力弱，僅適用于溫和化學(xué)環(huán)境，需通過添加無機(jī)填料（如 Al₂O₃、SiO₂）或復(fù)合改性提升耐腐蝕性；
工藝缺陷影響性能：光散射易導(dǎo)致 “過度固化” 與特征尺寸展寬，交聯(lián)過程中的體積收縮會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引發(fā)器件翹曲、分層；“自上而下” 打印時的氧抑制效應(yīng)可能導(dǎo)致表面樹脂未固化，需通過超聲、攪拌等后處理清潔微通道殘留原料；
大規(guī)模量產(chǎn)受限：雖適合快速原型，但高分辨率打印的串行性（尤其是 SLA）限制了高通量生產(chǎn)，需結(jié)合多噴嘴并行等技術(shù)優(yōu)化。

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托托科技推出的「織雀®系列超高精度3D光刻設(shè)備」在復(fù)雜三維、高深寬比以及復(fù)合材料三維微納結(jié)構(gòu)制造方面具有突出的潛能和優(yōu)勢，設(shè)備光學(xué)精度高達(dá)1μm，最大加工尺寸為50mm×50mm×50mm，打印材料兼容常規(guī)樹脂、陶瓷及水凝膠類墨水體系。設(shè)備擁有駁接打印技術(shù)，可對已有結(jié)構(gòu)的樣品表面進(jìn)行二次或多次打印，助力科研與產(chǎn)業(yè)在微納加工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更高度的設(shè)計自由與創(chuàng)新突破。
 
3D打印光固化技術(shù)（含SLA與DLP）是微流控器件打印的核心技術(shù)，憑借10-100μm的高打印精度、優(yōu)異光學(xué)透明性、快速原型迭代能力及多材料集成潛力，能適配微流控器件對細(xì)尺度流道、實(shí)時光學(xué)監(jiān)測等需求，已應(yīng)用于催化、納米材料合成、分離等化工相關(guān)場景。不過該技術(shù)仍存在化學(xué)穩(wěn)定性不足、工藝缺陷影響性能、大規(guī)模量產(chǎn)受限等挑戰(zhàn)。托托科技“織雀®系列”高精度3D光刻設(shè)備可提供技術(shù)支撐，未來經(jīng)優(yōu)化后，將進(jìn)一步推動微流控器件發(fā)展，更好賦能相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用。
 
原文出處：《Fabrication of microfluidic devices by 3D printing: technology, materials, applications and prospects》