一種基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬微流控芯片技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法。配制3D打印用卡拉膠或瓊脂熱可逆水凝膠，通過(guò)調(diào)節(jié)水凝膠濃度和使用交聯(lián)劑，以提高其機(jī)械強(qiáng)度、降低其融化后的粘度和加快其被冷卻后的膠凝速度。采用軟件設(shè)計(jì)微流控芯片的通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元，設(shè)計(jì)文件輸出給高精度水凝膠3D打印機(jī)，將水凝膠打印在底板上可得水凝膠陽(yáng)模。將高分子預(yù)聚物與固化劑混合得鑄模溶液，澆在陽(yáng)模上，并蓋上蓋板，使其與陽(yáng)模的間隙充滿鑄模溶，固化后脫模得微流控芯片基片，經(jīng)與蓋片封裝后得微流控芯片成品。采用本方法可加工聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、環(huán)氧樹脂等材質(zhì)的聚合物微流控芯片。

Preparation method of polymer microfluidic chip based on hydrogel 3D printing

The invention belongs to the technical field of micro fluidic chip, in particular to a method for preparing a polymer microfluidic chip based on hydrogel 3D printing. Preparation of 3D printing with carrageenan or agar heat reversible gel, by adjusting the concentration and the use of hydrogel crosslinking agent to improve the mechanical strength, reduce the melt viscosity and accelerate the cooling after gelation rate. Channel network, solution hole and the reactor structure unit uses the software design of micro fluidic chip, design file to output high precision 3D printer will print the hydrogel, hydrogel on the bottom plate can be hydrogel mold. The macromolecule prepolymer and curing agent to mold solution, pouring in the mold, and the cover and the mold gap and fills the mold after curing was dissolved, releasing the microfluidic chip substrate, and the cover sheet package after the microfluidic chip product. The method can be used for processing polymer micro fluidic chips of polymethyl methacrylate, poly two methyl siloxane, epoxy resin and the like.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬微流控芯片
，具體涉及一種基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法。
技術(shù)介紹
微流控芯片主要使用玻璃、石英和聚合物制作[1]，其中玻璃和石英微流控芯片通常采用光刻與化學(xué)刻蝕相結(jié)合的方法加工，技術(shù)和設(shè)備要求高，難以采用模具大批量生產(chǎn)，價(jià)格比較昂貴，限制了其廣泛應(yīng)用。于是，近年來(lái)聚合物微流控芯片得到了發(fā)展和重視，可使用模具通過(guò)注塑、印模和澆鑄等技術(shù)低成本批量生產(chǎn)[2]。用于加工微流控芯片的聚合物有聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）等[3]，其中聚甲基丙烯酸甲酯和聚二甲基硅氧烷是兩種較常用的材料。聚合物微流控芯片由于可批量低成本加工，在生物醫(yī)藥分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品藥品分析和臨床診斷等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。聚二甲基硅氧烷微流控芯片的加工通常采用澆鑄法，即將商品預(yù)聚體與交聯(lián)固化劑混合后，通過(guò)模具澆鑄而成，工藝比較成熟。熱塑性聚合物微流控芯片的加工技術(shù)有熱壓[4]、注塑[5]、激光燒蝕[6]等，其中熱壓技術(shù)目前使用較多，硅陽(yáng)模或金屬陽(yáng)模采用微機(jī)電加工技術(shù)制作。熱壓對(duì)芯片模具的機(jī)械強(qiáng)度要求較高，硅模具易碎，通常熱壓次數(shù)不超過(guò)50次[7]，需采用微機(jī)電加工技術(shù)和設(shè)備，制作成本高，步驟繁多，且每片陽(yáng)模需單獨(dú)加工。特別在澆鑄法制備聚合物微流控芯片時(shí)，硅和金屬與成形的聚合物微流控芯片間作用力較大，脫模十分困難，經(jīng)常造成模具和芯片的損壞。于是，使用廉價(jià)材料加工能批量低成本生產(chǎn)的陽(yáng)模具有重要的實(shí)際意義。高分子水凝膠主要以天然高分子材料（如瓊脂、卡拉膠、明膠等）和人工合成高分子材料（如聚乙烯醇等）為載體，含有大量的水分，具有成本低廉和容易加工的特點(diǎn)，廢棄后可在環(huán)境中自然降解，將其用于微流控芯片的加工，可以大幅度降低芯片加工成本。3D打印是近年來(lái)高速發(fā)展的一種數(shù)字化快速成型技術(shù)。按照打印成型原理，較為成熟且具備實(shí)際應(yīng)用前景的有5種，包括熔融堆積成型（FDM）、立體光固化成型（SLA）、分層實(shí)體制造（LOM）、三維粉末粘接（3DP）和選擇性激光燒結(jié)（SLS）。目前，市面上銷售的多是熔融堆積成型（FDM）3D打印機(jī)，主要以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）和聚乳酸（PLA）作為打印材料。于是，我們想到采用FDM技術(shù)3D打印融化水凝膠以制備廉價(jià)的微流控芯片水凝膠陽(yáng)模，以簡(jiǎn)化芯片加工流程，并采用澆鑄法復(fù)制聚合物微流控芯片。但經(jīng)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，尚未發(fā)現(xiàn)有使用3D打印水凝膠陽(yáng)模加工聚合物微流控芯片的報(bào)道。本專利技術(shù)建立了一種基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，無(wú)需使用昂貴的光刻和微加工技術(shù)和設(shè)備，具有工藝簡(jiǎn)單和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，在聚合物微流控芯片的批量低成本加工領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)[1]RenKN,ZhouJH,Wu,HK.AccountsofChemicalResearch,2013,46(11):2396-2406.[2]XuBB,ZhangYL,XiaH,SunHB.LabonAChip,2013,13(9):1677-1690.[3]ChenY,ZhangLY,ChenG.Electrophoresis,2008,29(9):1801-1814.[4]Chen,QW,ZhangLY,Chen,G.RSCAdvances,2014,4(99):56440-56444.[5]DuLQ,ChangHL,SongMC,LiuC.MicrosystemTechnologies-Micro-andNanosystems-InformationStorageandProcessingSystems,2012,18(6):815-822.[6]HongTF,JuWJ,WuMC,TaiCH,TsaiCH,FuLM.MicrofluidicsandNanofluidics,2010,9(6):1125-1133.[7]葉美英,殷學(xué)鋒,方肇倫.微流控芯片硅陽(yáng)模的加工,微細(xì)加工技術(shù),2004,(3):59-64.。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提出一種工藝簡(jiǎn)單的基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，不僅可用于芯片的批量低成本加工，還可用于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單個(gè)聚合物微流控芯片的個(gè)性化設(shè)計(jì)和定制加工。本專利技術(shù)提出的基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，具體步驟為：（1）配制3D打印用瓊脂熱可逆水凝膠或卡拉膠熱可逆水凝膠，水凝膠的組分主要為水、交聯(lián)劑以及卡拉膠或瓊脂等。可通過(guò)調(diào)節(jié)水凝膠的濃度和使用交聯(lián)劑用量，使配制的3D打印用水凝膠具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，融化后溶液粘度低且冷卻后膠凝速度快，以便于熔融堆積3D打印。（2）采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（如AutoCAD）設(shè)計(jì)與微流控芯片的通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對(duì)應(yīng)的陽(yáng)模，生成3D打印機(jī)可直接讀取的設(shè)計(jì)文件，如二進(jìn)制的STL文件。（3）3D打印用卡拉膠或瓊脂熱可逆水凝膠加熱熔化后，注入帶有恒溫加熱裝置的不銹鋼注射器中，將注射器安裝在3D打印機(jī)的卡位上固定。通過(guò)水凝膠3D打印機(jī)的進(jìn)料步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)注射器活塞將融化的水凝膠通過(guò)打印頭擠出。3D打印機(jī)的X軸、Y軸和Z軸的三只步進(jìn)電機(jī)按照由設(shè)計(jì)文件生成的G代碼行進(jìn)，將融化的水凝膠分層打印在玻璃或聚合物底板上，得到與微流控芯片通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對(duì)應(yīng)的水凝膠陽(yáng)膜。（4）將高分子預(yù)聚物與固化劑混合得鑄模溶液，鑄模溶液可以是含光引發(fā)劑的甲基丙烯酸甲酯預(yù)聚溶液、含固化劑的聚二甲基硅氧烷低聚物或含固化劑的環(huán)氧樹脂預(yù)聚體等可鑄模透明高分子預(yù)聚物溶液。將鑄模溶液澆在3D打印水凝膠陽(yáng)模上，蓋上蓋板使其與水凝膠陽(yáng)模間的間隙充滿鑄模溶液，待鑄模溶液固化后脫模，得具有微流通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片基片；將所得基片與相同材質(zhì)的微流控芯片蓋片封裝，即得聚合物微流控芯片成品。本專利技術(shù)中，步驟（1）中所述的水凝膠高分子材料選用卡拉膠或瓊脂等，其制備的水凝膠具有熱可逆性，加熱融化，冷卻到膠凝點(diǎn)即快速凝固成凝膠，以便于水凝膠陽(yáng)模的3D熔融打印和在底板上冷卻成型。本專利技術(shù)選用卡拉膠和瓊脂這兩種天然高分子材料配制水凝膠，具有融化后粘度小容易打印和溫度低于膠凝點(diǎn)時(shí)容易快速膠凝的特點(diǎn)。卡拉膠水凝膠和瓊脂水凝膠的交聯(lián)劑分別選用氯化鉀和硼砂。卡拉膠水凝膠的配方：卡拉膠0.5-3%、交聯(lián)劑氯化鉀0.1-2%，水余量；瓊脂水凝膠的配方：瓊脂0.5-5%，交聯(lián)劑硼砂0.1-1%，水余量。按這兩種配方制備的水凝膠機(jī)械強(qiáng)度高，可用于聚合物微流控芯片的澆鑄成型。本專利技術(shù)中，步驟（2）中所述的設(shè)計(jì)軟件可選用能輸出二進(jìn)制STL格式設(shè)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，其特征在于具體步驟為：（1）配制3D打印用瓊脂熱可逆水凝膠或卡拉膠熱可逆水凝膠，通過(guò)調(diào)節(jié)水凝膠的濃度和使用交聯(lián)劑用量，使配制的3D打印用水凝膠具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，融化后溶液粘度低且冷卻后膠凝速度快；（2）采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)與微流控芯片的通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對(duì)應(yīng)的陽(yáng)模，生成3D打印機(jī)可直接讀取的設(shè)計(jì)文件；（3）3D打印用卡拉膠熱可逆水凝膠或瓊脂熱可逆水凝膠加熱熔化后，注入帶有恒溫加熱裝置的不銹鋼注射器中，將注射器安裝在3D打印機(jī)的卡位上固定；通過(guò)3D打印機(jī)的進(jìn)料步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)注射器活塞將融化的水凝膠通過(guò)打印頭擠出；3D打印機(jī)的X軸、Y軸和Z軸的三只步進(jìn)電機(jī)按照由設(shè)計(jì)文件生成的G代碼行進(jìn)，將融化的水凝膠分層打印在玻璃或聚合物底板上，得到與微流控芯片通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對(duì)應(yīng)的水凝膠陽(yáng)膜；（4）將高分子預(yù)聚物與固化劑混合得鑄模溶液，所述鑄模溶液是含光引發(fā)劑的甲基丙烯酸甲酯預(yù)聚溶液、含固化劑的聚二甲基硅氧烷低聚物或含固化劑的環(huán)氧樹脂預(yù)聚體；將鑄模溶液澆在3D打印水凝膠陽(yáng)模上，蓋上蓋板使其與水凝膠陽(yáng)模間的間隙充滿鑄模溶液，待鑄模溶液固化后脫模，得具有微流通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片基片；將所得基片與相同材質(zhì)的微流控芯片蓋片封裝，即得聚合物微流控芯片成品。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，其特征在于具體步驟為：
（1）配制3D打印用瓊脂熱可逆水凝膠或卡拉膠熱可逆水凝膠，通過(guò)調(diào)節(jié)水凝膠的濃度
和使用交聯(lián)劑用量，使配制的3D打印用水凝膠具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，融化后溶液粘度低且
冷卻后膠凝速度快；
（2）采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)與微流控芯片的通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單
元相對(duì)應(yīng)的陽(yáng)模，生成3D打印機(jī)可直接讀取的設(shè)計(jì)文件；
（3）3D打印用卡拉膠熱可逆水凝膠或瓊脂熱可逆水凝膠加熱熔化后，注入帶有恒溫加
熱裝置的不銹鋼注射器中，將注射器安裝在3D打印機(jī)的卡位上固定；通過(guò)3D打印機(jī)的進(jìn)料
步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)注射器活塞將融化的水凝膠通過(guò)打印頭擠出；3D打印機(jī)的X軸、Y軸和Z軸的三
只步進(jìn)電機(jī)按照由設(shè)計(jì)文件生成的G代碼行進(jìn)，將融化的水凝膠分層打印在玻璃或聚合物
底板上，得到與微流控芯片通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對(duì)應(yīng)的水凝膠陽(yáng)膜；
（4）將高分子預(yù)聚物與固化劑混合得鑄模溶液，所述鑄模溶液是含光引發(fā)劑的甲基丙
烯酸甲酯預(yù)聚溶液、含固化劑的聚二甲基硅氧烷低聚物或含固化劑的環(huán)氧樹脂預(yù)聚體；將
鑄模溶液澆在3D打印水凝膠陽(yáng)模上，蓋上蓋板使其與水凝膠陽(yáng)模間的間隙充滿鑄模溶液，
待鑄模溶液固化后脫模，得具有微流通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片基片；將所得基片與相同材質(zhì)
的微流控芯片蓋片封裝，即得聚合物微流控芯片成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，其特征在
于步驟（1）中所述的卡拉膠水凝膠的配方：卡拉膠0.5-3%、交聯(lián)劑氯化鉀0.1-2%，水余量；瓊
脂水凝膠的配方：瓊脂0.5-5%，交聯(lián)劑硼砂0.1-1%，水余量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，其特征在
于步驟（2）中所述的設(shè)計(jì)軟件選用能輸出二進(jìn)制STL格...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳剛，韓毓，張劍霞，張魯雁，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：復(fù)旦大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：上海;31