发表在Nature 子刊的3D打印全液体“芯片实验室” 科研成果

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员通过3D打印设备制造全液体微流控装置。这一微流控制造技术使用时很便利,根据伯克利实验室,只需点击一下按钮,微流控应用用户可以根据应用需求制造微流控装置。这种可编程的微流控装置制造技术,应用范围广泛,包括作为电池材料,作为药物筛选装置等广泛的应用。

与伯克利实验室用3D打印机制作全液体材料的一系列实验中最新成果相关的论文,被发表在Nature Communications杂志上,论文题目为:Harnessing liquid-in-liquid printing and micropatterned substrates to fabricate 3-dimensional all-liquid fluidic devices。

伯克利实验室_1图片:3D打印的全液体装置可以被编程为像人工循环系统一样工作,该系统分离流过通道的分子并自动去除不需要的副产物。来源:伯克利实验室。

block 自动化可编程

伯克利实验室材料科学部门和分子铸造部门的科学家Brett Helms表示,他们所使用的3D打印设备可以根据需要进行编程,以执行多步骤,复杂的化学反应。而且这个多功能平台可以根据应用需要进行重新配置,从而高效精确地组合分子,并制造出非常特殊的产品,如有机电池材料。

伯克利实验室_2图片:当两种不同液体被打印到玻璃基板上时,它们在两种液体的界面处聚集在一起,并在几毫秒内形成直径约1毫米的非常薄的通道或管,来源:伯克利实验室。

Helms曾与马萨诸塞大学的访问研究员Thomas Russell 共同开创了一种能够在一种液体中3D打印多种液体结构的新技术,被打印的液体既可以是液滴也可以是液体旋流线。后来,他们又继续探索如何通过这种3D打印技术制造适用于多种应用的流体设备。Helms表示,如果可以实现在确定的通道中打印液体,流动的液体在穿过时不会损坏通道,那么他们就可以制造出适用于多种应用的流体设备,例如电池、电子设备等。

为了通过这类3D打印技术制造流体设备,伯克利实验室的科研团队设计了一种特殊图案的玻璃基板。使用的打印的液体有两种,一种含有纳米级粘土颗粒,另一种含有聚合物颗粒。当两种材料被打印在玻璃基底上时,在界面处聚集在一起,并在几毫秒内形成直径约1毫米的非常薄的通道或管。

当通道形成后,催化剂被放置在装置的不同通道中。接下来可以使用3D打印设备在通道之间制造出桥接件,将通道连接起来,在通道中流动的化学物质以特定顺序遇到催化剂,在引发一系列化学反应后产生特定的化合物。使得流过它们的化学品以特定顺序遇到催化剂,引发一系列化学反应以产生特定的化合物。

在计算机的控制下,这一3D打印技术可以自动执行与催化剂放置相关的任务,在微流控装置内构件液体之间的桥接件,从而使装置运行分子所需的反应序列。

自主合成是化学和材料界的一个新兴领域,伯克利实验室研究团队利用全液体流动化学的3D打印流体装置,可以在该领域中发挥重要作用。

block 3D科学谷Review

“芯片实验室”(Lab-on-a-Chip)又被称为微流控芯片(Microfluidics Chip),如果从这两个以不同角度来命名的技术名称上理解微流控芯片,我们可以把这一技术形象的理解为一种用芯片来实现实验室功能的技术,也就是说在一个数十平方厘米甚至更小的芯片上将样品的预处理、进样、混合、反应、分离和检测等实验室操作与相关功能集成在一起,并以微通道网络贯穿各个实验环节,从而实现对整个实验系统的灵活操控,承载传统化学或生物实验室的各项功能。

根据3D科学谷的市场观察,近年来微流控芯片技术在生命科学、医学诊断、分析化学等领域得到了快速发展。目前,3D打印技术在微流控芯片制造中的应用虽处于早期阶段,但在这一领域的应用也得到了快速发展。

3d printing microfluidics chip

目前,用于制作微流控芯片的微加工技术大多继承自半导体工业,其加工过程工序繁多,且依赖于价格高昂的先进设备。常用的加工方法包括:在微流控芯片的表面微加工、软印、压印 、注射成型、激光烧蚀等。这些加工过程需要在超净间内完成,并且工序复杂,所需空间也大,对设计与加工人员的经验依赖度高。

与半导体加工领域尝试用3D打印这种增材制造技术进行电子元件的直接快速成型的应用类似,近年来微流控芯片制造的研发与制造领域也逐渐引入了3D打印技术。在2010年以前,基于材料喷射的Polyjet 3D打印技术最先被用于3D打印微流控芯片的制造领域,在应用时首先通过该技术打印出模具,然后再用PDMS材料倒模制造出微流控芯片。2011年以后,通过3D打印技术直接一次性成型制造微流控芯片的应用逐渐出现。与使用3D打印设备直接打印出传感器等电子元件的方式类似,3D打印设备可以进行微流控芯片的直接一次性成型。

直接制造微流控芯片的工艺主要包括光聚合工艺和材料挤出工艺,这些工艺所制造的微流控芯片以高分子聚合物的芯片为主。在光聚合工艺领域,微纳级的3D打印技术已被用于微流控芯片制造中。例如深圳摩方材料与德国Nanoscribe 公司的纳米级3D打印技术。摩方科技采用了源自麻省理工学院的PμLSE(面投影微立体光刻)技术,Nanoscribe公司采用的是双光子聚合(TPP)技术。

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