基于3d打印的三維微流控芯片的加工方法及打印裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于3D打印的三維微流控芯片的加工方法,包括:1)繪制三維微流道圖;2)將三維微流道圖中的三維流道分層沿平行于芯片的底面方向進(jìn)行逐層切片;3)在前一層微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)上澆注液態(tài)芯片材料,按照流道分層切片順序,每層依次打印流道實(shí)體結(jié)構(gòu)和澆注芯片材料,依次完成流道形狀打印,得到三維流道實(shí)體結(jié)構(gòu);4)將三維流道實(shí)體結(jié)構(gòu)溶解,制得三維微流控芯片。本發(fā)明還公開(kāi)了用于實(shí)施上述方法的打印裝置。本發(fā)明三維微流控芯片的加工方法,加工過(guò)程簡(jiǎn)便快捷,生產(chǎn)效率高,易于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn),得到的三維微流控芯片,不需要鍵合等后處理工藝,簡(jiǎn)化了封裝工藝,可以制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維微流道,流道形狀及精度可控。
【專利說(shuō)明】基于3D打印的三維微流控芯片的加工方法及打印裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納加工領(lǐng)域,尤其是涉及一種基于3D打印方法的三維微流控芯片的加工方法及打印裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]微流控芯片技術(shù)(MiCTofluidics)是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過(guò)程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊芯片上,自動(dòng)完成分析過(guò)程。由于它在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的巨大潛力,已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科交叉的嶄新研究領(lǐng)域。
[0003]微流控芯片是微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要平臺(tái)。微流控芯片特征主要是其容納流體的通道、反應(yīng)室和其它某些功能部件至少在一個(gè)緯度上為微米級(jí)尺度。由于微米級(jí)的結(jié)構(gòu),流體在其中顯示和產(chǎn)生了與宏觀尺度不同的特殊性能,因此采用獨(dú)特的分析能夠產(chǎn)生特殊的性能。微流控芯片具有液體流動(dòng)可控、消耗試樣和試劑極少、分析速度成十倍上百倍地提高等特點(diǎn),它可以在幾分鐘甚至更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行上百個(gè)樣品的同時(shí)分析,并且可以在線實(shí)現(xiàn)樣品的預(yù)處理及分析全過(guò)程。
[0004]目前微流控芯片的制造方法主要是通過(guò)光刻、熱壓等方法制作出一面帶有微納米尺寸流道的芯片,然后將其和蓋片鍵合得到。而目前光刻、熱壓等方法只能獲得平面的二維結(jié)構(gòu),難以獲得真正的三維流道,即使是得到三維流道,也是通過(guò)平面的二維結(jié)構(gòu)拼裝而成。因而目前所使用的微流控芯片均以二維為主。而三維的微流道可以實(shí)現(xiàn)更好的試劑混合、不同試劑的相互反應(yīng)。如果在微流道內(nèi)通入細(xì)胞培養(yǎng)液的話,使用三維微流道便于從各個(gè)方向?qū)?xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)、刺激、觀察等。因而三維微流道具有更為重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0005]申請(qǐng)?zhí)枮镃N200810070306.9的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)了含原位聚合甲基丙烯酸丁酯預(yù)處理整體柱的三維微流控芯片及其制備方法,該制備方法包括以下步驟:(1)蓋片采用PMDS (聚二甲基硅氧烷)整體澆鑄成型法制作;(2)以玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚二甲基硅氧烷(PMDS)為芯片基片材料,采用濕法或者干法刻蝕有流體混合和反應(yīng)的微通道網(wǎng)絡(luò),微通道網(wǎng)絡(luò)尺寸為長(zhǎng)10~30_X寬50~200 μ mX深50~200 μ m ;
(3)采用雙官能團(tuán)試劑Y-MAPS處理蓋片中微通道;(4)在蓋片的微通道中,采用紫外光照原位聚合法制備聚甲基丙烯酸丁酯預(yù)處理整體柱;(5 )將步驟(4 )制備的蓋片和步驟(2 )制備的基片直接粘接封裝,使蓋片上的微通道和基片中的微通道網(wǎng)絡(luò)連通,得到三維微流控芯片。該技術(shù)方案采用傳統(tǒng)的光刻、熱壓等方法制作出一面帶有微納米尺寸流道的基片,然后將其和蓋片鍵合得到,拼接形成三維的微流道,制備步驟復(fù)雜、工藝繁瑣,生產(chǎn)效率較低,不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
[0006]申請(qǐng)?zhí)枮镃N102962107A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種三維微流控芯片的制作方法,包括以下步驟::1)在工作臺(tái)面上澆注一層液態(tài)可固化樹(shù)脂,固化后形成芯片的底面;2)在芯片的底面上噴射可溶于溶劑的流道實(shí)體材料制備三維流道實(shí)體結(jié)構(gòu);3)在三維流道實(shí)體結(jié)構(gòu)上澆注液態(tài)可固化樹(shù)脂,將三維流道實(shí)體結(jié)構(gòu)包覆,固化后形成實(shí)體芯片;4)采用溶劑將實(shí)體芯片中的三維流道實(shí)體結(jié)構(gòu)溶解,制得三維微流控芯片,其制作過(guò)程簡(jiǎn)單、三維結(jié)構(gòu)精確可控、制作效率高。這種方法通過(guò)一次性打印出可溶性的三維微通道實(shí)體結(jié)構(gòu),但在實(shí)際制作過(guò)程中,存在著該三維微通道結(jié)構(gòu)由于缺少必要的支撐,容易坍塌的問(wèn)題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明提供了一種基于3D打印的三維微流控芯片的加工方法,利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)做基面,采用分層構(gòu)造的方式,將可溶于溶劑的流道實(shí)體材料逐層構(gòu)造三維流道實(shí)體結(jié)構(gòu),再逐層澆注液態(tài)PDMS,芯片整體固化處理后,通過(guò)去除犧牲材料的方法獲得三維流控芯片。制作的三維微流控芯片擁有三維復(fù)雜可控的結(jié)構(gòu),其加工過(guò)程簡(jiǎn)單快速、加工成本低、三維結(jié)構(gòu)精確可控。
[0008]一種基于3D打印的三維微流控芯片的加工方法,包括以下步驟:
[0009]步驟(1):繪制三維微流道圖;[0010]步驟(2):將三維微流道圖中的三維流道分層沿平行于芯片的底面方向進(jìn)行逐層切片,依次得到每層流道形狀VA2、A3、A4、A5……K,流道形狀A(yù)1~An依次按照切片順序進(jìn)行疊合即可得到完整的三維微流道形狀;n表示切片總數(shù),為大于I的自然數(shù);
[0011]步驟(3):在前一層微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)上澆注液態(tài)芯片材料,按照流道分層切片順序,每層依次打印微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)和澆注芯片材料,依次完成流道形狀A(yù)1~An,得到三維微流道實(shí)體結(jié)構(gòu);
[0012]步驟(4)將三維微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)溶解,制得三維微流控芯片。當(dāng)采用糖作為打印材料時(shí),可采用水在一定處理溫度(大于等于90°C )下,將由糖構(gòu)成的三維微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)溶解,制得三維微流控芯片。
[0013]步驟(1)中,按照需求,設(shè)計(jì)繪制三維流道圖可采用現(xiàn)有成熟技術(shù),可通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD (Computer Aided Design)軟件得到三維微流道圖,可使用商業(yè)CAD軟件,諸如 CorelDraw, Solidworks 等繪制。
[0014]步驟(2)中,A1為最底層的流道形狀,An為最上層的流道形狀;可使用商業(yè)CAD軟件如CorelDraw進(jìn)行預(yù)處理,得到分層流道形狀及三維微流道形狀,可使用數(shù)控加工商業(yè)軟件如MasterCAM等來(lái)完成進(jìn)一步的數(shù)控加工優(yōu)化。作為優(yōu)選,步驟(2)中,采用切片方式,得到的每層流道形狀為完整的二維微流道結(jié)構(gòu)。一方面能夠確保噴頭噴射得到每層準(zhǔn)確的流道實(shí)體形狀,保證一定的精度,另一方面,優(yōu)化噴頭的噴射路線,從而能夠保證生產(chǎn)效率。
[0015]步驟(3)中每一層芯片的加工方法為:
[0016](a)加工流道形狀A(yù)1時(shí),在成型基底上澆注一層液態(tài)芯片材料,形成芯片的底面,當(dāng)加工流道形狀A(yù)2~4?時(shí),可直接利用前一層微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)的上表面作為本層芯片的底面;
[0017](b)在芯片的底面上,采用噴頭噴射打印材料制備微流道實(shí)體結(jié)構(gòu),噴射完成后澆注液態(tài)芯片材料,將此層微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)包覆;
[0018](C)固化液態(tài)芯片材料,得到固化后的二維流道實(shí)體結(jié)構(gòu)。
[0019]為便于實(shí)現(xiàn)相鄰兩層流道的連接,避免由于芯片材料覆蓋節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致上下兩層流道堵塞,步驟(3)中,作為優(yōu)選,步驟(3)中,打印第Ai層切片時(shí),第Ai層和第Ai+1層之間的連接節(jié)點(diǎn)處的打印層高高于第Ai層上芯片材料層的打印層高。連接節(jié)點(diǎn)處打印層高小于第Ai+1層的打印層高。
[0020]所述芯片材料為聚二甲基硅氧烷和固化劑的混合物。所述的固化劑為與現(xiàn)有技術(shù)中與聚二甲基硅氧烷配套的固化劑,兩者之間的配比可根據(jù)實(shí)際需要確定,聚二甲基硅氧烷和固化劑的質(zhì)量比一般為8-15:1,進(jìn)一步優(yōu)選為10:1。
[0021]上述步驟中:
[0022]當(dāng)采用糖作為打印材料時(shí),在噴頭內(nèi)加熱糖粉至熔點(diǎn)以上并維持在一穩(wěn)定溫度范圍內(nèi),在熔融的糖粉從噴頭噴射出后,由于環(huán)境溫度(一般在_5°C?42°C)遠(yuǎn)低于可溶于溶劑的流道實(shí)體材料的熔點(diǎn),糖粉即刻就可以固化,可方便獲得由糖構(gòu)成的微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)。
[0023]糖選用市售常用的原料即可,如麥芽糖的熔點(diǎn)為105°C左右,蔗糖的熔點(diǎn)為150°C左右,易于加熱熔化,同時(shí),在常溫下也可保持固體形態(tài)。發(fā)明人做了大量的實(shí)驗(yàn),獲得了最適合于三維微流控芯片制造的糖材料:麥芽糖(熔點(diǎn):110°c)或者麥芽糖醇(熔點(diǎn):149-152。。)。
[0024]以白砂糖作為沉積材料,加熱溫度設(shè)為160°C,白砂糖在加熱過(guò)程中開(kāi)始發(fā)黑炭化,并伴隨氣泡,導(dǎo)致噴頭噴出熔融的糖絲困難,同時(shí)炭化后也影響糖的溶解。這種現(xiàn)象的主要原因是白砂糖中蔗糖的純度不高,含有雜質(zhì),影響了加熱的效果。以純度更高的單晶冰糖作為材料,單晶冰糖在加熱的過(guò)程中,顏色從白色逐漸變成棕黃色,最終在160°C下完全熔融顏色開(kāi)始發(fā)黑,但不產(chǎn)生氣泡。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),如果單晶冰糖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間加熱保溫(160°C的加熱溫度下,保溫8min),同樣會(huì)分解產(chǎn)生大量氣泡,性質(zhì)不穩(wěn)定,因此也不適宜。此外,果糖、蔗糖、葡萄糖等加熱融化的過(guò)程中伴隨著熔融、分解和溶解,不適合作為沉積材料。
[0025]麥芽糖醇由麥芽糖氫化得到,具備了熔點(diǎn)低、熱穩(wěn)定性良好、極易溶于水等優(yōu)點(diǎn),實(shí)驗(yàn)所用麥芽糖醇為一水麥芽糖醇(C12H22O11.H2O)純度95%。常溫常壓下為無(wú)色透明的晶體。噴頭加熱到125°C,麥芽糖醇即可完全熔化,噴射熔化后麥芽糖醇無(wú)色透明,在噴出后可以迅速固化,成型效果良好。
[0026]為了更好的實(shí)現(xiàn)基于糖的實(shí)體流道的打印,本發(fā)明還提供了一種實(shí)施上述任一技術(shù)方案所述加工方法的三維打印裝置,包括機(jī)身、設(shè)置在機(jī)身上的三維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、以及在三維調(diào)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行三維打印的打印噴頭,其特征在于,所述打印噴頭包括:一側(cè)帶有氣體進(jìn)口的筒狀本體,該筒狀本體一端設(shè)有噴嘴,另一端密封;套設(shè)在筒狀本體上的發(fā)熱器;設(shè)置在噴嘴上用于檢測(cè)噴嘴溫度的溫度傳感器;控制器,接收溫度傳感器的溫度信號(hào),控制發(fā)熱器的啟動(dòng)和關(guān)閉。為避免噴嘴和噴腔之間因溫差過(guò)大而導(dǎo)致出絲阻力增大,影響沉積的穩(wěn)定性,噴嘴部分采用斜坡設(shè)計(jì)。噴嘴前端的噴絲孔為螺紋孔,可直接與鋼制點(diǎn)膠機(jī)噴嘴連接,由于鋼制點(diǎn)膠機(jī)噴嘴已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化,其噴嘴直徑可選擇0.05?0.5mm,可有效提高噴絲過(guò)程的穩(wěn)定性。
[0027]進(jìn)一步優(yōu)選,溫度傳感器可采用熱電偶,精確測(cè)量噴頭溫度,監(jiān)控流道材料的溫度變化。所述發(fā)熱器為環(huán)形陶瓷電阻加熱器,套設(shè)在筒狀本體靠近噴嘴的一端外側(cè)。方便安裝,且具有較好的加熱效果,能夠?qū)⒖扇苡谌軇┑牧鞯缹?shí)體材料熔化,在外部氣壓的驅(qū)動(dòng)過(guò)程中,將可溶于溶劑的流道實(shí)體材料噴出。將噴頭裝在現(xiàn)有的三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上即可實(shí)現(xiàn)實(shí)體流道的打印。
[0028]為便于噴嘴的更換和安裝,作為優(yōu)選,所述噴嘴與筒狀本體之間為螺紋連接。也可根據(jù)需要選用其他連接方式,例如也可采用焊接、卡合或者一體設(shè)置等方式。[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0030]本發(fā)明基于3D打印的三維微流控芯片的加工方法,加工過(guò)程簡(jiǎn)便快捷,生產(chǎn)效率高,易于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。通過(guò)本發(fā)明方法得到的三維微流控芯片,不需要鍵合等后處理工藝,簡(jiǎn)化了封裝工藝,可以制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維微流道,流道形狀及精度可控,三維微流控芯片加工成本低,利于工業(yè)化批量制造。
[0031]本發(fā)明三維打印裝置,可在現(xiàn)有的桌面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)基礎(chǔ)上改進(jìn),將主軸部分安裝噴頭,通過(guò)簡(jiǎn)單的優(yōu)化即可三維微流道的加工,通過(guò)本發(fā)明三維打印平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)三維微流控芯片的批量生產(chǎn),降低生產(chǎn)成本,并能夠保證三維微流控芯片的品質(zhì)。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1為本發(fā)明三維打印裝置的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0033]圖2為本發(fā)明中三維打印裝置的打印噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0034]圖3為本發(fā)明中三維微流道的整體結(jié)構(gòu)示意圖;
[0035]圖4為本發(fā)明中三維微流道每層微流道形狀A(yù)pA2、A3的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0036]圖5為本發(fā)明中三維微流控芯片的外觀結(jié)構(gòu)示意圖;
[0037]圖6為本發(fā)明中三維微流控芯片的三維流道的X方向剖面圖;
[0038]圖7為本發(fā)明中三維微流控芯片的三維流道的Y方向剖面圖;
[0039]圖8為本發(fā)明中三維微流控芯片的三維流道的透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]一種三維打印裝置,包括機(jī)身、設(shè)置在機(jī)身上的XYZ三軸運(yùn)動(dòng)組件以及受控于XYZ三軸運(yùn)動(dòng)組件并內(nèi)置有發(fā)熱器的噴頭4。如圖1所示,為三維打印平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意圖,所不為運(yùn)動(dòng)組件X軸I,Y軸2,Z軸3及嗔頭4。如圖2所不,嗔頭4包括筒狀本體42、設(shè)直在筒狀本體42 —端的噴嘴41、設(shè)置在筒狀本體42另一端保持氣密性的堵頭43和密封墊圈44,氣體進(jìn)口 45,設(shè)置在筒狀本體42靠近噴嘴41 一端的發(fā)熱器46以及設(shè)置在噴嘴41附件監(jiān)測(cè)溫度的傳感器47。發(fā)熱器可采用環(huán)形陶瓷電阻加熱器,環(huán)形布置在筒狀本體42靠近噴嘴41 一端的外側(cè)。噴頭4內(nèi)為可溶于溶劑的流道實(shí)體材料,在XYZ三軸運(yùn)動(dòng)組件的運(yùn)動(dòng)配合下下,按所需的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng),并從噴頭4噴射出液態(tài)熔融的可溶于溶劑的流道實(shí)體材料,凝固后即可形成三維流道實(shí)體結(jié)構(gòu)。
[0041]實(shí)施例1
[0042]I)首先,調(diào)配質(zhì)量比為10:1的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化劑(該固化劑為現(xiàn)有技術(shù)中與聚二甲基硅氧烷配套的固化劑)的混合物,作為芯片材料使用,在成型基底上預(yù)先澆注一層上述混合物,待其固化后得到三維微流控芯片的底面;
[0043]2)在芯片的底面上逐層噴射可溶于溶劑的微流道實(shí)體材料制備三維微流道實(shí)體結(jié)構(gòu),具體包括:
[0044]a)使用CAD軟件(CorelDraw)設(shè)計(jì)繪制三維微流道圖,三維微流道圖如圖3所示,其中流道入口 31及流道出口 32已預(yù)先設(shè)計(jì),位于芯片同一側(cè),采用垂直進(jìn)液的方式;
[0045]b)使用商業(yè)CAD軟件如CorelDraw進(jìn)行預(yù)處理,得到分層流道形狀及三維流道形狀,可使用數(shù)控加工商業(yè)軟件如MasterCAM等來(lái)完成進(jìn)一步的數(shù)控加工優(yōu)化,例如可采用切片方式,得到的每層流道形狀為完整的二維流道結(jié)構(gòu),依次為流道形狀A(yù)、A2, A3,如圖4所示,流道A、A2, A3沿垂直于芯片底面的方向即可得到三維流道,A1為最靠近芯片底面的流道形狀,A3為距離芯片底面最遠(yuǎn)的流道形狀;
[0046]c)將三維打印平臺(tái)(通過(guò)改進(jìn)商用桌面運(yùn)動(dòng)平臺(tái),在主軸部分安裝噴頭),可溶于溶劑的流道實(shí)體材料選用糖(以采用麥芽糖醇為例),糖預(yù)先置于筒狀本體42內(nèi),噴頭4內(nèi)加熱器46通過(guò)環(huán)形布置在筒狀本體42靠近噴嘴41 一端外側(cè),和布置在噴嘴處的溫度傳感器47配合使用,在控制器的作用下,筒狀本體加熱,達(dá)到糖的熔點(diǎn),使糖熔融。高壓氣體通過(guò)氣體進(jìn)口 45進(jìn)入筒狀本體,推動(dòng)糖絲的擠出,通過(guò)控制氣體的壓力和通入時(shí)間,改變噴射出的糖的直徑與質(zhì)量。針對(duì)第i層流道,首先通過(guò)控制平臺(tái)。移動(dòng)噴頭道第i層所在的打印高度,噴頭開(kāi)始噴射熔融的糖,通過(guò)平臺(tái)X、Y軸的運(yùn)動(dòng)配合,打印出第i層的微流道二維結(jié)構(gòu),由于環(huán)境溫度相對(duì)較低,糖噴出后即刻凝固成型,得到第i層的微流道二維結(jié)構(gòu)。
[0047]3)在前一層微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)上澆注液態(tài)PDMS和固化劑混合物,按照流道分層切片順序,每層打印流道實(shí)體結(jié)構(gòu)和澆注PDMS和固化劑混合物,依次完成流道形狀A(yù)1?A3,得到三維流道實(shí)體結(jié)構(gòu)。在相應(yīng)的模具中固化芯片,能夠得到邊緣規(guī)則的實(shí)體芯片結(jié)構(gòu)。每一層芯片的加工方法為:
[0048]a)加工A1層時(shí),在成型基底上澆注一層液態(tài)PDMS和固化劑混合物,形成芯片的底面,當(dāng)加工A2層時(shí),可直接利用A1層的上表面作為本層芯片的底面,當(dāng)加工A3層時(shí),可直接利用A2層的上表面作為本層芯片的底面;
[0049]b)在芯片的底面上,采用噴頭噴射糖制備微流道實(shí)體結(jié)構(gòu),噴射完成后澆注液態(tài)PDMS和固化劑混合物,將此層流道實(shí)體結(jié)構(gòu)包覆,得到A1層,A2, A3層如是重復(fù)以上步驟可得;為避免PDMS和固化劑混合物堵塞兩層之間的流道節(jié)點(diǎn),打印A1層時(shí),其流道節(jié)點(diǎn)處的打印厚度大于A1層的打印厚度,但是小于A1層、A2層以及兩層之間鋪設(shè)的芯片材料厚度的總和,例如A1層和A2層的打印層厚均為200 μ m,兩層之間鋪設(shè)PDMS和固化劑混合物的厚度為300um,那么節(jié)點(diǎn)處打印高度可設(shè)定為600 μ m,即高出PDMS和固化劑混合物層的厚度為 100 μ m。
[0050]c)固化PDMS,得到A1?A3層固化后的二維流道實(shí)體結(jié)構(gòu);
[0051 ] 4)在大于90 0C的水中連續(xù)加熱處理得到的芯片實(shí)體結(jié)構(gòu),去除芯片結(jié)構(gòu)中的糖,得到空心的微流道,同時(shí)對(duì)流道進(jìn)出口進(jìn)行修正,完成芯片的封裝和測(cè)試,最終獲得完整功能的三維微流控芯片,如圖5、圖6、圖7、圖8所示。
【權(quán)利要求】
1.一種基于3D打印的三維微流控芯片的加工方法,其特征在于,包括以下步驟: 步驟(1):繪制三維微流道圖; 步驟(2 ):將三維微流道圖中的三維流道分層沿平行于芯片的底面方向進(jìn)行逐層切片,依次得到每層流道形狀A(yù)1、A2、A3、A4、A5……K,流道形狀A(yù)1~An依次按照切片順序進(jìn)行疊合即可得到完整的三維微流道形狀;n表示切片總數(shù),為大于I的自然數(shù); 步驟(3):在前一層微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)上澆注液態(tài)芯片材料,按照流道分層切片順序,每層依次打印微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)和澆注芯片材料,依次完成流道形狀A(yù)1~K,得到三維微流道實(shí)體結(jié)構(gòu); 步驟(4):將三維微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)溶解,制得三維微流控芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印的三維微流控芯片的加工方法,其特征在于,步驟(2)中,采用切片方式,得到的每層流道形狀為完整的二維微流道結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D打印的三維微流控芯片的加工方法,其特征在于,步驟(3)中, (a)加工流道形狀A(yù)1時(shí),在成型基底上澆注一層液態(tài)芯片材料,形成芯片的底面,當(dāng)加工流道形狀A(yù)2~An時(shí),可直接利用前一層微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)的上表面作為本層芯片的底面; (b)在芯片的底面上 ,采用噴頭噴射打印材料制備微流道實(shí)體結(jié)構(gòu),噴射完成后澆注液態(tài)芯片材料,將此層微流道實(shí)體結(jié)構(gòu)包覆; (c)固化液態(tài)芯片材料,得到固化后的二維流道實(shí)體結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于3D打印的三維微流控芯片的加工方法,其特征在于,步驟(3)中,打印第Ai層切片時(shí),第Ai層和第Ai+1層之間的連接節(jié)點(diǎn)處的打印層高高于第Ai層上芯片材料層的打印層高。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于3D打印的三維微流控芯片的加工方法,其特征在于,連接節(jié)點(diǎn)處打印層高小于第Ai+1層的打印層高。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于3D打印的三維微流控芯片的加工方法,其特征在于,所述芯片材料為聚二甲基硅氧烷和固化劑的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于3D打印的三維微流控芯片的加工方法,其特征在于,打印材料為麥芽糖或麥芽糖醇。
8.一種實(shí)施權(quán)利要求1~7任一權(quán)項(xiàng)所述加工方法的三維打印裝置,包括機(jī)身、設(shè)置在機(jī)身上的三維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、以及在三維調(diào)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行三維打印的打印噴頭,其特征在于,所述打印噴頭包括: 一側(cè)帶有氣體進(jìn)口( 45 )的筒狀本體(42 ),該筒狀本體(42 ) 一端設(shè)有噴嘴(41),另一端密封; 套設(shè)在筒狀本體(42)上的發(fā)熱器(46); 設(shè)置在噴嘴(41)上用于檢測(cè)噴嘴溫度的溫度傳感器; 控制器,接收溫度傳感器的溫度信號(hào),控制發(fā)熱器(46)的啟動(dòng)和關(guān)閉。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三維打印裝置,其特征在于,所述發(fā)熱器(46)為環(huán)形陶瓷電阻加熱器,套設(shè)在筒狀本體(42 )靠近噴嘴(41)的一端外側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三維打印裝置,其特征在于,所述噴嘴(41)與筒狀本體(42)之間為螺紋連接。
【文檔編號(hào)】B29C67/00GK103895226SQ201410112659
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】賀永, 邱京江, 傅建中, 肖簫, 吳燕 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)