面投影微立體光刻技術和模塑法制備微流控光學器件的對比研究

微流控芯片是把生物、化學等領域中所涉及的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，以此取代常規生物化學實驗室中的各種操作。微流控芯片因具有高度集成化、分析效率高、制造成本低、試劑消耗量少等優點被廣泛應用于各種科學研究。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是目前應用*泛的微流控芯片制備材料之一，它具有良好的透氣性、透光性、生物兼容性以及化學惰性，易于通過模具澆注成型。基于光刻和PDMS倒模技術的模塑法是目前應用最普.遍的微流控芯片加工方法。然而，這種方法加工時間長、加工成本高、加工工藝繁瑣，并且模具的制造需要在潔凈室中完成。隨著3D打印技術的出現，微流控芯片可以通過3D打印技術直接制備而成，或者結合PDMS翻模工藝與3D打印技術多步加工制備而成。這些方法不僅有效彌補了傳統微加工方式的不足，而且還可以制備具有復雜三維結構的微流控芯片。另外，微流控芯片制備材料的選擇也更加廣泛。

近日，卡塔尼亞大學Lorena Saitta課題組采用面投影微立體光刻(PμSL)技術和基于3D打印的PDMS翻模技術制備了用于段塞流檢測的微流控光學器件，通過對比研究評估了兩種加工技術及其制備材料的利弊。研究人員基于PμSL (microArch S140，摩方精密) 3D打印技術采用HTL光敏樹脂一步成型了微流控光學器件，該技術具有超高的打印分辨率；作為對比，研究人員還采用基于聚合物噴射3D打印的PDMS翻模技術多步工藝制備了微流控光學器件。兩種加工方法制備的器件進口和出口定位不同，HTL器件的進口和出口與微通道同軸對齊，而PDMS器件受限于加工方法，其進口和出口正交于微通道。另外，HTL器件是一體成型的，氣密性比較好，可以避免液體泄露問題。

圖1. 所設計的微流控光學器件的工作原理

圖2. PDMS微流控光學器件(Device 1)和HTL微流控光學器件(Device 2)的幾何結構俯視圖的比較(單位：mm)

圖3. PDMS微流控光學器件的制備流程

圖4. 基于PμSL技術制備HTL微流控光學器件的流程

圖5. PDMS微流控光學器件(Device 1)和HTL微流控光學器件(Device 2)的完整氣水段塞流平均周期趨勢的比較

PDMS器件和HTL器件微通道的相對粗糙度分別為0.0001 %和0.0002 %，因此，兩種加工技術均能保證微通道內流體流動的穩定性。將兩種器件用于段塞流的檢測，PDMS器件柔性比較大，居中對準兩根光纖比較困難，觀測數據的變化比較大；HTL器件的剛性比較好，觀測數據的分散性遠小于PDMS器件。然而，HTL樹脂的透光性不如PDMS，檢測性能相對較低。因此，基于PμSL 3D打印技術，結合透光性良好的3D打印樹脂材料的開發，可以推進微流控芯片的研究。該研究成果為微流控芯片的制造提供了新思路，以“Projection micro-stereolithography versus master-slave approach to manufacture a micro-optofluidic device for slug flow detection"為題發表在The International Journal of Advanced Manufacturing Technology上。