微流体是指流体的行为、精确控制和操纵，这些流体在几何上被限制在小尺度（通常为亚毫米），在该尺度上，表面力主导体积力。它是一个多学科领域，涉及工程、物理、化学、生物化学、纳米技术和生物技术。它在处理少量流体以实现多路复用、自动化和高通量筛选的系统设计中具有实际应用。微流控设备已广泛应用在化学合成、生物医药、环境监测等多个领域。

3D打印作为制造微流控芯片的一种有前途的方法引起了微流控器件制造界的关注。许多研究表明，3D打印技术在制造复杂性结构，规避复杂的模具制造流程和劳动密集型生产流程方面，比传统的PDMS 材料微成型更具有优势。

目前，各种3D打印技术在制造微流控芯片器件时仍存在不同程度的挑战以及优化提升的空间。近日，南加州大学Yong Chen教授和其团队成员Yang Xu博士，及Noah Malmstadt教授在3D打印微流体器件方面取得重要进展，并在自然-通讯上发表了题为“In-situ transfer vat photopolymerization for transparentmicrofluidic device fabrication”的学术论文。

研究团队提出了一种立体光固化新工艺，显著提升3D打印微流体分辨率与精度。本期谷.专栏将对这一研究成果的核心内容进行分享。

论文主要提出了一种原位转移立体光固化3D打印工艺，可以高效可靠地打印出通道高度仅为10微米，精度±1微米的微流体器件，并有潜力进一步提升微流道高度的分辨率。

论文其他参与者包括普渡大学教授Huachao Mao，南加州大学硕士生Fangjie Qi, Songwei Li等。https://doi.org/10.1038/s41467-022-28579-z

研究背景

新药研发的高昂成本已经成为一项全球挑战，导致医疗服务价格上涨，研发周期变长。统计显示，每种新药物平均研发成本已超过10亿美元。其中很大一部分花费来自专业设备，工具，试剂以及大量单调重复的试验工作。

南加州大学

微流体芯片(MicrofluidicChips)是一种精确控制和操控微尺度流体的芯片技术，通常整体透明内涵一系列微米尺度通道与反应室，已经成为药物研发的重要工具。因其需要试样和试剂极少，液体流动可控以及高度自动化等特点，在降低成本与缩短周期方面起到了极大作用。

当前多数的微流体芯片由PDMS软刻蚀（SoftLithography）完成，该工艺需要在无尘室里利用光刻工艺制作倒模以及密集型的手工流程。立体光固化(VatPhotopolymerization)作为一种很有前景的微流体制造技术，可以轻松制造出更加复杂的3D几何形状实现更强大的功能，以及在普通环境中一步式加工，便于微流体技术研究，推广与共享。然而，当前立体光固化3D打印的微流体器件在打印方向上难以实现微米级精度（小于100微米）。造成这一问题的根本原因是打印方向即Z方向上的过度固化（over-curingissue）。在打印通道顶层（channel-roof layer）及之后的层时总是难以避免地固化通道内的树脂导致通道堵塞。

新工艺、新思路

光固化3D打印机+辅助打印平台

新工艺的核心思路是在传统的立体光固化打印机上增加一个辅助打印平台作为约束平面，将至关重要的通道顶层通过两次曝光分开打印，并原位转印到微流体器件上。通过这种方式极大减少了通道内树脂吸收的光能，使得总吸收能量远低于固化所需的能量阈值，避免了过度固化导致的通道堵塞。

图1.传统立体光固化与IsT-VPP工艺对比

图 2.IsT-VPP 3D打印工艺原理

研究成果

通过这种方法，研究者打印了一系列10微米级微流体通道并展示了一系列微流道应用如微流体阀，微粒筛选器等。

图3. 3D打印微流控通道

图 4. 3D打印微流控阀

图5. 3D打印微粒筛选器

研究人员认为借助于高分辨率的投影仪或激光，通过IsT-VPP工艺3D打印的微流体器件精度可以媲美PDMS软刻蚀，这将极大促进微流体器件的新设计与功能拓展。

此外，比起其他高精度立体光固化技术，南加州大学团队的论文中展示的实验样机采用了低成本的405nm光源，普通的商用透明光固化树脂可直接使用无需添加特殊的吸光剂。这意味着可用于3D打印微流体器件的材料会被极大拓展，材料研究人员可以专心于调配新材料以满足其他需求例如生物兼容性和弹性，而不用担心可打印性。