大批量生产微流体（微模型）设备的研究进展

胡 铖

一、引 言

微流体（微模型）设备是一类新兴工业设备，主要应用于微机电系统（如智能芯片）的制造，随着近年来这一领域的不断发展，这类设备的需求量正在不断上升。目前，绝大多数复杂微流体（微模型）设备的制造方法都包含光刻、蚀刻和沉积等工艺，而这些工艺需要遵循严格的制造流程，并且对生产环境也有苛刻的要求，比如专门的无尘室和器材。因此，出于降低成本和提高生产效率的考虑，更加优化的微流体（微模型）设备的制造方法的研究正逐渐受到关注。

近年来，各种新型的制造微流体（微模型）设备的方法正在被不断提出和改善。Hassel，Achim Walter[1]将共熔合金的定向凝固应用于制造准二元Ni-Al-Re系统，提出了一种同时钝化NiAl基体和选择性电溶稀土的电化学方法，并用该方法形成了一组直径为400纳米的纳米孔阵列。Du，Ming[2]采用自然氧化法，通过在气相孔隙内表面脱铝铜锌合金层，制备了由微孔气相铜、纳米孔铜和纳米孔氧化亚铜组成的三模态结构。Yu，Linping[3]采用粉末冶金法制备了多孔镍铜合金，该合金具有均匀的骨架和丰富的连通气孔组织。而更多的研究则将目光投向3D打印和造型（modeling）这两种普遍更加简便和经济的制造方法上。本文将着重介绍几种利用3D打印或造型制造微流体（微模型）设备的流程，比较它们的优缺点和适用范围。希望能为工程师们设计同类产品的大批量制造方式时提供一些思路。

二、3D打印

3D打印是一种快速成型技术，它以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来制造产品。

（一）直接书写（Direct ink writing）

直接书写是一种原理简单、成本低廉的3D打印技术。Chen，Liao[4]提出了一种使用直接书写来制造不同尺寸量级的3D人工微叶的方法，以用于人工光合作用的研究。他们所选择的直接书写打印机是一个使用程序化生产流程的台式机器人，通过气动输送系统提供适当的压力使喷嘴挤出油墨并控制其流量。整个输墨系统安装在一个三轴微定位平台上，而3D结构产物被打印在凡士林基底上。使用CAD控制各种打印参数，包括压力、打印速度以及平台和桶的温度等。

整个制造流程可以分为以下步骤：

1.在15mL乙醇中加入0.5g硅粉，用超声波降解处理2小时。

2.向所得溶液中加入0.31g聚乙烯吡咯烷酮（PVP），搅拌5分钟。（防止溶胶-凝胶油墨在干燥和煅烧过程中应力过大）

3.向所得溶液中加入1.0g十二烷基苯磺酸（DBSA），搅拌5分钟。

4.向所得溶液中加入6.25g二异丙醇钛双乙酰丙酮酸（TIA）。

5.向所得溶液中加入约15mL乙醇、3.5mL H2O和2.5mL浓NH4OH（25%—28%），加热至60—80℃，搅拌6—8小时以形成浓溶胶-凝胶油墨。

6.将这些油墨储存于一个50mL的圆柱形注射器桶里，它们将附着于硼硅酸盐玻璃微孔上。

7.直接使用这些油墨进行墨水书写。

8.将所得产物置于恒定空气流下均匀地煅烧，环境温度550℃，煅烧持续6小时。

9.将所得产物浸入25mL 6M KOH溶液中以腐蚀SiO2纳米球，环境温度180℃，持续3天。

10.收集并清洗所得产物，在80℃环境下干燥12小时。

使用该方法得到的3D人工微叶是一种微米级孔隙结构。该方法原理简单且成本低廉，适合用于大批量生产。但是该方法一个制造周期较长（不低于4天），生产出的最终产物的孔隙排列较密且尺寸较大，所以只有在有计划地制造较为疏松的微流体（微模型）设备时才具有参考价值。

（二）3D生物打印（3D bio-printing）

3D生物打印（3D bio-printing）是3D打印的一种，主要用于模拟自然界的各种生物组织。Lee，Vivian[5]提出了一种利用3D生物打印来构建流体血管通道的方法。他们使用的生物打印机基于3D立体自由曲面制造技术，由一个三轴机器人工作台、阀分配器（独立控制）阵列、材料加载单元和一个可连接的温度控制单元组成。在微阀的闸门开启过程中，液体材料可以通过空气压力进行分配。通过控制阀门的开启时间和流体通道的空气压力，可以调节分配液滴的体积，进而调节产品的分辨率。

整个制造流程可以分为以下步骤：

1.培育人类细胞，并用0.25%的胰蛋白酶-乙二胺四乙酸（EDTA）来获取它们；将胶原水凝胶（主要支架材料）稀释为3.0mg/mL；制备10mg/mL纤维蛋白原和3U/mL凝血酶（制造毛细血管床）；制备浓度为10%的明胶溶液。将这些材料悬浮保存于冰上。

2.以胶原水凝胶为原材料在一个流动室上进行3D打印，通过雾化的NaHCO3使其聚合。重复此步骤5～6次以得到最终产物的底层结构。

3.以明胶为原材料，在底层结构上3D打印出两个流体血管通道。

4.将通道置于4℃下10分钟，使明胶凝固。在该过程中，迅速将纤维蛋白原、凝血酶和人体细胞混合沉积在两个通道之间。

5.在整个结构上打印几层胶原水凝胶。

6.将整个结构孵育20—30分钟，使明胶液化，得到流体通道。

7.将人体细胞注入通道，在通道内表面播种，形成细胞内层。

8.将管道连接到蠕动的分配泵，并在其中注入温和的介质流。

使用该方法得到的人工毛细血管通道与常见的微流体装置有很多相似之处，但是在该研究中最终得到的毛细血管的尺寸都处于毫米这一量级，与微流体（微模型）设备所需的微米级尺寸相差甚远。另外，该方法所需的原材料需要人工培育，其制造周期长、成本高的特点不适用于大批量生产。因此使用3D生物打印技术制造微流体（微模型）设备的方法仍需进一步的研究。

（三）熔融沉积模型（FDM）

FDM是3D打印技术一种，主要用于大规模生产高成本效益的热塑性塑料。Gaal，Gabriel[6]提出了一种使用FDM来制造聚乳酸（PLA）微通道的方法，以求降低这一微流体设备的成本。他们使用的FDM打印机由Mega 2560（一种采用USB接口的核心电路板）控制，使用直径为0.4mm的商用热喷嘴来制造直径为1.75mm的热塑性塑料丝。被挤出的热塑性塑料丝将安置于一个200×200mm2的60℃标准镜面热床上。步进电机按笛卡尔坐标移动挤出机和热台，将用于打印微通道的PLA长丝在200℃环境下挤出。3D设备模型是在Autodesk Inventor上设计的，模型转换成的每个打印平面都包含一组笛卡尔坐标，用于指定长丝放置的位置和数量。

该方法的最终产物为一组微通道的阵列，这是一种常见的微流体设备结构。但是该方法将制造材料限制为热塑性塑料，不具有普适性。同时，该方法制造出的微通道横截面为“V”型，与常规微流体设备的圆形横截面不符，并且横截面尺寸达到1200μm×400μm甚至更大，这依然被认为属于毫米这一量级。因此该方法依然不适于直接借鉴到别的微流体设备的制造中，需要进一步的研究。

三、造 型

在铸造生产中，用人力或机械制造砂型的工序叫造型。

（一）复制成型（replica molding）

复制成型是一种控制简单、精度高的软光刻技术，也被认为是造型法的一种。它最大的优势在于对生产过程中所使用的材料没有严格的限制。但它对生产环境的要求也更高。

1.热压花和复制成型

热压花则是塑料加工业中一种常用的生产方法，其主要工艺流程是：加热模具，注射样品，用压力将模具固定在加热板上，熔化、硬化、冷却样品，最后释放模具。Li，Y[7]提出了一种基于热压花的复制成型方法，可以用不同的材料制造纳米柱阵列。

整个制造流程可以分为以下步骤：

（1）用CO2激光切割机将1毫米厚的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄片切割成纳米孔阵列以覆盖一个圆形的阳极氧化铝（AAO）薄膜。

（2）以 AAO为模具，PMMA为样品，在29kPa 160℃条件下进行热压花工艺，冷却15分钟。

（3）在NaOH（3M）溶液中蚀刻AAO模板约15分钟，接着用去离子水冲洗样品，在氮气流下干燥。

（4）用溶液相硅烷化法纳米柱表面沉积一层释放层。

（5）在PDC—001等离子清洗机内使用等离子体激活样品表面，在0.3 Torr左右的条件下持续1分钟。

（6）将样品浸泡到50mL己烷（ACS试剂级，98.5%）和200μl硅烷的混合溶剂中，环境温度为80℃，持续3小时，然后将其置于N2气流中干燥。

（7）如果需要制造别的材料的样品，则将聚二甲基硅氧烷（PDMS）与硅化后的试样混合，在真空室中脱气30分钟，再在室温下固化24小时。

（8）剥离负PDMS复制，用其复制的其他材料铸造柱子。

该流程最终产品大约有25个纳米柱阵列覆盖在一个平台上，它们的直径在200纳米以下，这说明该方法可以满足绝大多数微流体（微模型）设备的尺寸需求。而这种方法最难能可贵的优点在于它可以使用多种原材料来进行制造，这大大增加了整个生产过程的灵活性。考虑到生产流程中使用了蚀刻这一工艺，尽管研究者声称整个工艺流程不需要用到专门的无尘室，但依然有理由怀疑这一方法会比常规的造型法有着更高的生产环境要求。这是在采用这一方法时需要尤其注意的一点。

2.激光诱导的正向转移（LIFT）和复制成型

LIFT本质上是直接书写技术的一种，它可以根据用户选择的设计，直接液体微滴沉积到基板上，而表面张力会使所产生的微滴形成几乎完美的球形表面。Surdo，Salvatore[8]提出了一种将LIFT和复制成型技术结合起来的方法，用于微透镜的制造，以控制产品的几何形状和尺寸，且不依赖于所使用的材料和基底。

整个制造流程可以分为以下步骤：

（1）使用LIFT将水溶液形态的微滴打印在基板上。

（2）冷冻所得产物，以微滴为母粒制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具。

（3）利用所得模具使用复制成型在任意选定的基板上创建不同的可固化聚合物的微透镜。

这一方法可用于生成不同光固化聚合物的微透镜和微透镜阵列。其中LIFT保证了快速制造能力和生成微滴完美光滑的表面质量，复制成型则提供了多线程生产和材料灵活性方面的优势。但同样的，LIFT工艺也会对制造环境有着较高要求，所以该方法更适用于有一定设备基础的制造方。

（二）蒸汽箱成型（Steam-chest molding）

蒸汽箱成型是一种用于制造珠粒泡沫塑料的商业化成型法。珠粒泡沫塑料是一种聚合泡沫塑料，具有泡沫膨胀率高、尺寸控制能力强、三维形状复杂等特点。膨胀热塑性聚氨酯（ETPU）珠粒泡沫塑料是一种新型的热塑性弹性体珠粒泡沫塑料，具有良好的延展性和柔软性。Ge，Chengbiao[9]提出了一种用蒸汽箱成型制造ETPU珠粒泡沫塑料的方法。

该方法的最终产品为带微米级孔隙的泡沫粒，可以用于组成不同的三维形状的产品并精确控制尺寸。但是该产品的原材料限制为ETPU，材料强度低，使用范围因此受到了很大的限制，只在低强度疏松微流体（微模型）设备的制造中具有参考价值。

（三）粉末注塑成型（PIM）

注塑成型是造型法的一种，主要使用金属、玻璃、弹性体、热塑性塑料和热固性聚合物作为原材料。PIM是用金属粉末而非熔融金属进行注塑成型的一种方法，该方法生产的产品将具有优良的晶粒结构。钨铬钴合金是一种耐磨性较强的钴铬合金，也可能含有钨、钼和少量的碳，钨铬钴合金6就是其中一种。Gülsoy，H.Özkan[10]提出了一种使用PIM生产钴基钨铬钴合金6超合金组件的方法，以获得具有良好耐磨性和耐高温腐蚀的高强度材料。

整个制造流程可以分为以下步骤：

1.将钨铬钴合金6粉末与一种多组分粘合剂在170℃下混合半小时。该粘合剂由69wt%固体石蜡（PW）、20wt%聚丙烯（PP）、10wt%加洛巴蜡（CW）和1wt%硬脂酸（SA）组成。得到的混合物种包括62.5vol%钨铬钴合金6粉和37.5vol%粘结剂。

2.将混合物注入拉伸试样模具装置中，在12.5 MPa 170℃条件下保持20秒。

3.冷却并松开模具，得到成型样品。

4.将成型样品加热至60℃，并将其保存在庚烷中6小时以进行溶剂脱粘。

5.在高纯氩环境下，以Al2O3为基底对步骤4产物进行热脱粘。

6.在真空Protherm管式炉内以Al2O3为基底烧结步骤5产物，环境温度1200℃，持续1小时。

该方法得到的最终产物为密布微米级孔隙的钨铬钴合金6，其相对密度值约为90%。利用该方法制造微模型设备流程简单，便于操作，适用于大批量生产。但是该方法将原材料限制为部分金属的粉末，且产品的孔隙不规则无定型，所以只适用于大批量制造一些特定的微模型设备。

四、结 语

通过对几种使用3D打印和造型法大批量生产微流体（微模型）设备研究成果的比较，可以发现3D打印技术普遍会使整个生产过程高度自动化而且更加灵活，能够不局限于某一种特定的材质产品。但这一技术对生产工具的精度要求较高，不便于控制成本。而使用造型法生产微流体（微模型）设备往往具有成本低、产量高的特点。但由于这一工艺本身对于制造的材料有较高的要求，往往只能用于某一种或几种特定产品的制造。制造方应结合自身的条件以及需求来选择更加适合的生产方式。