一种柔性微通道制备方法

1.本发明涉及微纳加工技术领域，具体而言，尤其涉及一种柔性微通道制备方法。


背景技术：

2.微流控技术是一种将流体控制在微米或纳米级别的技术，利用微流控芯片中的微通道和微阀门，可以精确地控制微流体的流动、混合、分离和检测等过程，具有操作简便、高效、快速、低成本等优点。微流控技术广泛应用于化学分析、生物检测、医学诊断、环境监测等领域。微流控芯片制造材料包括玻璃、硅、聚合物等，主要加工技术为光刻法、热塑成型法和激光切割法。其中：
3.光刻法是利用紫外光等光源，在光敏材料上制作出微流道的图案，然后通过化学或物理方法将图案转移到基底。这种方法可以制作出高精度、高密度的微流道结构，但需要昂贵的设备和复杂的工艺，并且难以制作三维的微流道。
4.热塑成型法则是利用热塑性聚合物在加热和压力的作用下发生变形，将预先制作好的微流道模具压印到聚合物上，形成微流道结构。这种方法可以制作出低成本、大面积的微流控芯片，但难以控制微流道的深度和宽度，而且易受热变形和应力松弛的影响。
5.激光切割法是利用激光束在聚合物或玻璃等材料上切割出微流道的轮廓，然后将两层切割好的材料粘合起来，形成微流道结构。这种方法可以制作出任意形状的微流道，不需要模具和光刻设备，但切割速度较慢，容易产生热损伤和残留应力。
6.3d打印微通道是一种结合微流控技术和3d打印技术的新型制造技术。利用3d打印技术，可以实现对微通道形状、尺寸和复杂度的精确控制，从而快速制造微流控芯片。相对于传统微加工技术，3d打印微通道具有制造速度快、成本低、设计灵活、可定制化等优点。根据其工艺流程，可分为三种：
7.直接成型法：使用立体光固化(sla)3d打印技术直接在结构中完成微通道打印。然而，此方法对3d打印机的精度有极高要求，而通道内壁的粗糙度会影响流体流动和观测，且芯片不可重复利用，需要重复打印和消耗更多耗材；
8.模具牺牲法：利用熔融沉积成型(fdm)3d打印技术使用可溶解的材料打印通道，再使用硅胶封装并在固化后通过溶剂或高温清理通道。然而，此方法存在打印精度低、牺牲材料难以完全清理和芯片不可重复使用的问题；
9.倒膜法：通过sla或fam打印技术打印微通道阳膜，并通过聚二甲基硅氧烷(pdms)倒膜获得pdms微通道。然而，3d打印的结构表面往往不够光滑，会影响微通道的密封和观测。此外，在sla技术中，光敏树脂固化后不耐高温，容易热变形，影响微通道成型效果，因此需要在低温下固化pdms，需要更长的时间。


技术实现要素：

10.根据上述提出的技术问题，提供一种光刻胶辅助的3d打印制备柔性微通道的加工方法，使用3d打印机打印微通道模板，随后向模板表面旋涂光刻胶进行表面修饰，待模板整
体固化处理后获得微通道模具，浇筑脱膜pdms获得微流控芯片。
11.本发明采用的技术手段如下：
12.一种柔性微通道制备方法，采用光刻胶辅助3d打印制备柔性微通道，包括：
13.采用计算机绘制通道模型，并使用3d打印机对微通道模板进行打印；
14.对打印完成后的微通道模板表面进行清洁；
15.在进行清洁后的微通道模板的上表面旋涂光刻胶；
16.采用紫外线曝光机固化光刻胶，获得光滑的微通道模具；
17.在光滑的微通道模具上浇筑液态pdms与固化剂混合物；
18.在烘箱中固化pdms后，将固体pdms与模具进行剥离，获得柔性微通道。
19.进一步地，所述采用计算机绘制通道模型，并使用3d打印机对微通道模板进行打印，包括：
20.使用计算机绘图软件设计绘制微通道模板图纸；
21.将绘制的微通道模板图纸以.stl文件格式导入切片软件中，进行切片处理；
22.设置曝光参数；
23.使用sla打印机完成微通道模板的打印。
24.进一步地，所述对打印完成后的微通道模板表面进行清洁，包括：
25.使用95％的酒精对3d打印的微通道模板浸泡10～20min；
26.采用超声将浸泡后的微通道模板震荡3～5min，去除微通道模板表面残留的未固化材料。
27.进一步地，所述在进行清洁后的微通道模板的上表面旋涂光刻胶，包括：
28.将完成表面清洁的微通道模板通过真空负压吸附于旋涂机上，使用旋涂机在微通道模板的表面旋涂光刻胶，使光刻胶均匀覆盖微通道模板的表面。
29.进一步地，所述采用紫外线曝光机固化光刻胶，获得光滑的微通道模具，包括：
30.将完成旋涂光刻胶后的微通道模板放入紫外线曝光机中，对旋涂的光刻胶进行固化处理；
31.将完成曝光后的微通道模板从紫外线曝光机中取出，获得光滑的微通道模具。
32.进一步地，所述在光滑的微通道模具上浇筑液态pdms与固化剂混合物，包括：
33.将光滑的微通道模具固定在培养皿中，向培养皿中添加液态pdms与固化剂混合物；
34.控制添加到培养皿中的液态pdms与固化剂混合物的液面高度在距离通道模具上表面处3mm，并静置20min。
35.进一步地，所述在烘箱中固化pdms后，将固体pdms与模具进行剥离，获得柔性微通道，包括：
36.将培养皿连同微通道模具和液态pdms与固化剂混合物放置于烘箱中，将液态pdms与固化剂混合物变成固体pdms；
37.将微通道制备装置从烘箱中取出，冷却至室温；
38.采用l型剥离法将固体pdms与微通道模板剥离；
39.将固体pdms在储液池处打孔，作为液体的入口和出口；
40.将固体pdms和载玻片一并放入等离子清洗机进行氧等离子表面处理；
41.将固体pdms和载玻片从等离子清洗剂中取出并贴合，得到通道内表面光滑且密封性优良的微通道。
42.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
43.1、本发明提供的柔性微通道制备方法，制作的微流控芯片可拥有复杂可控的结构，且加工过程简单快速、成本低、结构精确可控。
44.2、本发明提供的柔性微通道制备方法，制备工艺简单，无需复杂的仪器和严格地实验室条件，可以快速、高效、成批量生产适用于各种应用场景的微通道。
45.3、本发明提供的柔性微通道制备方法，能够解决现有3d打印微通道模具技术中，模具表面粗糙影响观测并容易泄露的问题。
46.4、本发明提供的柔性微通道制备方法，可以与微流控技术相结合，为复杂结构微通道的制备提供一种快速、高效的制备方法，不需要复杂的仪器与苛刻的实验条件，本发明所提供的方法可以成批量、低成本的生产pdms微通道，有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
47.基于上述理由本发明可在微纳加工等领域广泛推广。
附图说明
48.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
49.图1为本发明光刻胶辅助的3d打印制备柔性微通道的流程图。
50.图2为本发明实施例提供的微通道模板图纸。
51.图3为本发明实施例提供的微通道模板上旋涂光刻胶的示意图。
52.图4为本发明实施例提供的在微通道模具上浇筑聚液态二甲基硅氧烷(pdms)与固化剂的混合物(两者质量比为10：1)的示意图。
53.图5为本发明实施例提供的制备得到的微通道示意图。
54.图中：21、模型基板；22、方形微通道；23、储液池；31、微通道模板；32、旋涂机；41、微通道模具；42、培养皿；43、液态pdms与固化剂的混合物；51、固体pdms；52、载玻片；53、微通道。
具体实施方式
55.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
56.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
58.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
59.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
60.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
61.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
62.如图1所示，本发明提供了一种柔性微通道制备方法，采用光刻胶辅助3d打印制备柔性微通道，包括：
63.s1、采用计算机绘制通道模型，并使用3d打印机对微通道模板进行打印；
64.s2、对打印完成后的微通道模板表面进行清洁；
65.s3、在进行清洁后的微通道模板的上表面旋涂光刻胶；
66.s4、采用紫外线曝光机固化光刻胶，获得光滑的微通道模具；
67.s5、在光滑的微通道模具上浇筑液态聚二甲基硅氧烷(pdms)与固化剂混合物；
68.s6、在烘箱中固化pdms后，将固体pdms与模具进行剥离，获得柔性微通道。
69.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s1中，采用计算机绘制通道模型，并使用3d打印机对微通道模板进行打印，包括：
70.s11、使用计算机绘图软件设计绘制微通道模板图纸；如图2所示，本实施例的微通
道模板中，基板21长30mm，宽20mm，厚1mm；微通道22为方形直通道，宽100um，高50um，总长为20mm；微通道两侧储液池23为直径2mm的圆形，高50um。
71.s12、将绘制的微通道模板图纸以.stl文件格式导入切片软件anycubicphotonworkshop v3.10中，进行切片处理；
72.s13、设置曝光参数；优选的，在本实施例中，设置打印层高为50um，单层曝光时间为3.5s。
73.s14、使用sla打印机完成微通道模板的打印。优选的，在本实施例中，打印材料为光敏树脂。
74.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s2中，对打印完成后的微通道模板表面进行清洁，包括：
75.s21、使用95％的酒精对3d打印的微通道模板浸泡10～20min；
76.s22、采用超声将浸泡后的微通道模板震荡3～5min，去除微通道模板表面残留的未固化材料。
77.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s3中，在进行清洁后的微通道模板的上表面旋涂光刻胶，包括：
78.将完成表面清洁的微通道模板31通过真空负压吸附于旋涂机32上，使用旋涂机32在微通道模板31的表面旋涂光刻胶，在本实施例中，优选的，向模板表面滴加2ml光刻胶，光刻胶优选为microchem公司生产的su82002光刻胶，使光刻胶均匀覆盖微通道模板31的表面。如图3所示。优选的，旋涂机32旋涂过程，包括：
79.s31、匀胶：旋涂转速500rpm，旋涂加速度100rpm/s，旋涂时间15s；
80.s32、旋涂：旋涂速度3000rpm，旋涂加速度300rpm/s，旋涂时间30s。
81.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s4中，所述采用紫外线曝光机固化光刻胶，获得光滑的微通道模具，包括：
82.s41、将完成旋涂光刻胶后的微通道模板放入紫外线曝光机中，对旋涂的光刻胶进行固化处理；优选的曝光剂量为100mj/cm2。
83.s42、将完成曝光后的微通道模板从紫外线曝光机中取出，获得光滑的微通道模具41。
84.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s5中，在光滑的微通道模具上浇筑液态pdms与固化剂混合物，包括：
85.s51、将光滑的微通道模具41固定在培养皿42中，向培养皿中添加液态pdms与固化剂混合物；在本实施例中，优选的，培养皿42直径为5cm，高度为1cm，如图4所示。液态pdms与固化剂的混合物43选择dow corning公司生产的sylgard有机硅弹性体，双组份比例为10:1混合均匀。
86.s52、控制添加到培养皿42中的液态pdms与固化剂的混合物43的液面高度在距离通道模具上表面处3mm，并静置20min。
87.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s6中，在烘箱中固化pdms后，将固体pdms与模具进行剥离，获得柔性微通道，包括：
88.s61、将培养皿42连同微通道模具41和液态pdms与固化剂的混合物43放置于烘箱中，将液态pdms与固化剂的混合物43变成固体pdms；在本实施例中，优选的，在固化过程中，
固化温度为80～120℃，固化时间为30～80min。
89.s62、将微通道制备装置从烘箱中取出，冷却至室温；
90.s63、采用l型剥离法将固体pdms与微通道模板剥离；在本实施例中，优选的，将固体pdms用保鲜膜包裹，防止其表面污损，影响下一步操作。
91.s64、将固体pdms在储液池处打孔，作为液体的入口和出口；
92.s65、将固体pdms 51和载玻片52一并放入等离子清洗机进行氧等离子表面处理；在本实施例中，优选的，设置等离子处理时间为1～3min；
93.s66、将固体pdms 51和载玻片52从等离子清洗剂中取出并贴合，得到通道内表面光滑且密封性优良的微通道53，如图5所示。
94.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种柔性微通道制备方法，其特征在于，采用光刻胶辅助3d打印制备柔性微通道，包括：采用计算机绘制通道模型，并使用3d打印机对微通道模板进行打印；对打印完成后的微通道模板表面进行清洁；在进行清洁后的微通道模板的上表面旋涂光刻胶；采用紫外线曝光机固化光刻胶，获得光滑的微通道模具；在光滑的微通道模具上浇筑液态pdms与固化剂混合物；在烘箱中固化pdms后，将固体pdms与模具进行剥离，获得柔性微通道。2.根据权利要求1所述的柔性微通道制备方法，其特征在于，所述采用计算机绘制通道模型，并使用3d打印机对微通道模板进行打印，包括：使用计算机绘图软件设计绘制微通道模板图纸；将绘制的微通道模板图纸以.stl文件格式导入切片软件中，进行切片处理；设置曝光参数；使用sla打印机完成微通道模板的打印。3.根据权利要求1所述的柔性微通道制备方法，其特征在于，所述对打印完成后的微通道模板表面进行清洁，包括：使用95％的酒精对3d打印的微通道模板浸泡10～20min；采用超声将浸泡后的微通道模板震荡3～5min，去除微通道模板表面残留的未固化材料。4.根据权利要求1所述的柔性微通道制备方法，其特征在于，所述在进行清洁后的微通道模板的上表面旋涂光刻胶，包括：将完成表面清洁的微通道模板通过真空负压吸附于旋涂机上，使用旋涂机在微通道模板的表面旋涂光刻胶，使光刻胶均匀覆盖微通道模板的表面。5.根据权利要求1所述的柔性微通道制备方法，其特征在于，所述采用紫外线曝光机固化光刻胶，获得光滑的微通道模具，包括：将完成旋涂光刻胶后的微通道模板放入紫外线曝光机中，对旋涂的光刻胶进行固化处理；将完成曝光后的微通道模板从紫外线曝光机中取出，获得光滑的微通道模具。6.根据权利要求1所述的柔性微通道制备方法，其特征在于，所述在光滑的微通道模具上浇筑液态pdms与固化剂混合物，包括：将光滑的微通道模具固定在培养皿中，向培养皿中添加液态pdms与固化剂混合物；控制添加到培养皿中的液态pdms与固化剂混合物的液面高度在距离通道模具上表面处3mm，并静置20min。7.根据权利要求1所述的柔性微通道制备方法，其特征在于，所述在烘箱中固化pdms后，将固体pdms与模具进行剥离，获得柔性微通道，包括：将培养皿连同微通道模具和pdms与固化剂混合物放置于烘箱中，将液态pdms与固化剂混合物变成固体pdms；将微通道制备装置从烘箱中取出，冷却至室温；采用l型剥离法将固体pdms与微通道模板剥离；
将固体pdms在储液池处打孔，作为液体的入口和出口；将固体pdms和载玻片一并放入等离子清洗机进行氧等离子表面处理；将固体pdms和载玻片从等离子清洗剂中取出并贴合，得到通道内表面光滑且密封性优良的微通道。

技术总结
本发明提供一种柔性微通道制备方法，采用光刻胶辅助3D打印制备柔性微通道，包括：采用计算机绘制通道模型，并使用3D打印机对微通道模板进行打印；对打印完成后的微通道模板表面进行清洁；在进行清洁后的微通道模板的上表面旋涂光刻胶；采用紫外线曝光机固化光刻胶，获得光滑的微通道模具；在光滑的微通道模具上浇筑液态聚二甲基硅氧烷(PDMS)与固化剂混合物；在烘箱中固化PDMS后，将固体PDMS与模具进行剥离，获得柔性微通道。本发明方法具有工艺简单、成本低、通道光滑度高等优点，能够解决传统3D打印制备微通道技术存在通道表面粗糙问题，适用于微流控芯片的快速和大规模制造。用于微流控芯片的快速和大规模制造。用于微流控芯片的快速和大规模制造。


技术研发人员：宋永欣 韩小石 李梦琪
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/8/31