3D列印與「晶元上的實驗室」

原標題：3D列印與「晶元上的實驗室」

「晶元上的實驗室」(Lab-on-a-Chip)又被稱為微流控晶元(Microfluidics Chip)，如果從這兩個以不同角度來命名的技術名稱上理解微流控晶元，我們可以把這一技術形象的理解為一種用晶元來實現實驗室功能的技術，也就是說在一個數十平方厘米甚至更小的晶元上將樣品的預處理、進樣、混合、反應、分離和檢測等實驗室操作與相關功能集成在一起，並以微通道網路貫穿各個實驗環節，從而實現對整個實驗系統的靈活操控，承載傳統化學或生物實驗室的各項功能。

近年來，微流控晶元技術在生命科學、醫學診斷、分析化學等領域得到了快速發展。目前，3D列印技術在微流控晶元製造中的應用雖處於早期階段，但在這一領域的應用也得到了快速發展。

集成化、微型化、即時生產

微流控晶元的製造材料主要有硅、玻璃石英、高分子聚合以及紙基，其中高分子聚合物材料由於成本低、種類多，便於實現大批量生產，已成為了微流控晶元製造的主要材料，其中常用的材料有聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane， PDMS）、聚苯乙烯（polysty-rene，PS）和環烯烴共聚物（（cycloolefincoplymer，COC）等。

目前，用於製作微流控晶元的微加工技術大多繼承自半導體工業，其加工過程工序繁多，且依賴於價格高昂的先進設備。常用的加工方法包括：在微流控晶元的表面微加工、軟印、壓印 、注射成型、激光燒蝕等。這些加工過程需要在超凈間內完成，並且工序複雜，所需空間也大，對設計與加工人員的經驗依賴度高。

與半導體加工領域嘗試用3D列印這種增材製造技術進行電子元件的直接快速成型的應用類似，近年來微流控晶元製造的研發與製造領域也逐漸引入了3D列印技術。在2010年以前，基於材料噴射的Polyjet 3D列印技術最先被用於3D列印微流控晶元的製造領域，在應用時首先通過該技術列印出模具，然後再用PDMS材料倒模製造出微流控晶元。2011年以後，通過3D列印技術直接一次性成型製造微流控晶元的應用逐漸出現。與使用3D列印設備直接列印出感測器等電子元件的方式類似，3D列印設備可以進行微流控晶元的直接一次性成型。

直接製造微流控晶元的工藝主要包括光聚合工藝和材料擠出工藝，這些工藝所製造的微流控晶元以高分子聚合物的晶元為主。在光聚合工藝領域，微納級的3D列印技術已被用於微流控晶元製造中。例如深圳摩方材料與德國Nanoscribe 公司的納米級3D列印技術。摩方科技採用了源自麻省理工學院的PμLSE（面投影微立體光刻）技術，Nanoscribe公司採用的是雙光子聚合（TPP）技術。

圖片來源：ASME

此外，2017年美國楊百翰大學的一組科研團隊研發出一種用於聚合物微流控晶元製造的微納級3D列印技術-數字化處理光固化立體造型（DLP-SLA）技術。用該技術列印的晶元尺寸小於100微米，其流體管道橫截面小至18微米×20微米。研究團隊表示，這台印表機使用了385納米的LED，具有更高的列印解析度，列印材料為特別設計的低成本的定製樹脂，在30分鐘內就可以列印出一個微流控晶元。這個3D列印技術可以挑戰現有的微流體原型設計和開發所用的軟光刻技術和熱壓技術。

除了聚合物微流控3D列印技術，部分陶瓷3D列印技術已被用於列印陶瓷微流控晶元。參考3D科學谷延伸閱讀：3D列印陶瓷微系統推進微流控晶元或人體器官晶元應用。

除了上圖中列舉的3D列印技術之外，還有學者在進行科學研究時利用生物3D印表機，即將含有幾種不同細胞的生物墨水列印到微流控晶元的微反應器上，從而製成多器官微流控晶元。參考3D科學谷延伸閱讀：生物3D列印技術開發的多器官微流控晶元。3D列印在紙基微流控晶元製造領域的應用也得到了發展。

這些3D列印技術所具有的優勢各不相同，因此每種技術適合製造的微流控晶元種類也有所差異。比如說FDM技術較適合製造精度要求不高的微流控晶元，而DLP、TPP等這種基於光聚合工藝的3D列印技術則更適合製造精度要求高的微流控晶元。另外，在實際應用時，還需要結合各種技術的設備成本、材料成本、列印效率以及後處理的成本與效率等因素，綜合考慮選擇哪種3D列印技術。

總體來說，傳統的微流控晶元製造技術屬於勞動密集型的產業，將3D列印技術用於製造微流控生物晶元可以在幾個小時內實現微型流體通道的快速製造，有利於設計的快速迭代，提高了基於微流控研究的跨學科性，並加速創新。目前，3D列印技術在微流控晶元製造中的應用尚處於早期階段，其應用以晶元研發、設計驗證為主。那麼，未來3D列印是否會全部替代傳統的微流控晶元製造工藝呢？ 在3D科學谷看來，這些技術將長期同時存在與發展，3D列印技術將在集成化程度高、微型化以及即時診斷微流控晶元的生產領域將發揮更大的價值。

參考資料：Microfluid Nano Fluid, Lab Chip等

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！