基于3D打印牺牲阳模的异型截面微流道便捷加工

唐文来 樊宁 李宗安 项楠 杨继全

摘 要 提出了一种基于3D打印牺牲阳模的异型截面微流道便携加工方法，以探究流道截面对微粒惯性聚焦行为的调控作用。利用皮秒激光切割技术加工任意形状的喷嘴微孔，借助桌面级FDM打印机可方便地制造出所需的异型截面流道阳模。结合通用的PDMS倒模复制技术和阳模溶解技术，可在无需键合密封工艺的情况下获得完整的PDMS微流控芯片。为验证本方法的有效性，设计并成功加工出具有方形、半椭圆形和三角形截面的微流道，发现可通过控制打印材料的挤出量灵活调整加工流道截面的尺寸。最后，搭建了实验平台系统， 研究微粒在半椭圆形和三角形微流道内的惯性聚焦行为，以探究异型截面在微粒惯性操控方面的影响机制。结果表明，随着流体流量的逐渐增加，在半椭圆形和三角形流道内的微粒将逐渐横向迁移运动至靠近流道截面边长的中心附近，最终形成3个稳定的平衡位置。

关键词 微流控; 3D打印; 微粒操控; 惯性聚焦; 微加工

1 引 言

通过构建微米级的流道网络，微流控技术将生命科学研究中所涉及的采样、预处理和分析表征等实验过程集成在一块几平方厘米的芯片上[1，2]。与传统技术相比，微流控芯片具有样品消耗低、处理时间短和检测精度高等优点，已经成为开发新一代现场即时检测（Point-of-care testing， POCT）仪器的研究热点和主流技术[3]。作为核心功能单元，样品中检测对象（微纳米生物粒子）的聚焦、分离和捕获等操控，将直接影响预处理的效果与表征结果的准确性，从而影响整个POCT仪器的功能实现和性能指标。为此，研究人员通过引入光[4]、电[5]、声[6]、磁[7]等外场作用，或利用特殊微结构及其诱导产生的微流体效应[8]，开发出多种不同功能应用的片上操控技术。其中，惯性微流控技术巧妙利用微尺度流体的惯性效应和微结构诱导产生的Dean涡流作用，实现微粒运动状态和平衡位置的精确控制，具有所需流道结构简单、无需借助外场及处理通量高等显著优势，在微型化POCT仪器中具有良好的应用前景[9]。

自2007年由哈佛大学Toner等[10]首次提出惯性微流控技术以来，其在流道的拓扑结构创新和功能应用拓展方面得到了飞速发展。然而，受限于经典软光刻技术的垂直曝光工艺，现阶段惯性微流控技术的研究仍主要集中于常规的矩形截面微流道。惯性操控的机理研究成果表明，微流道的截面形状直接影响微粒惯性聚焦平衡位置的数量和具体坐标[11]。为此，研究人员近年尝试将一些特殊的流道阳模加工方法与常规的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane， PDMS）倒模复制技术进行结合，制造出具有三角形[12]、半圆形[13]和梯形[14]等异型截面的微流道，以拓展流道截面形状对微粒惯性操控影响机制的理解。然而，现有的这些加工方法仅能用于制作特定截面形状的微流道，并且存在加工工艺复杂等共同缺陷。另外，复制阳模得到PDMS微流道后仍需与玻璃基底进行键合密封，不易实现微流控芯片与微机械、微电子和微传感器等其它功能单元的集成。

近年来，可任意形状成型的3D打印技术迅速崛起，为微流道及微流控芯片的加工提供了一种全新的思路[15]。研究人员采用3D打印技术直接制作微流控芯片[16～18]，或打印可供PDMS倒模的流道阳模[19，20]。与传统的微流控芯片加工方法相比，3D打印技术有效简化了加工流程， 并显著降低了技术门槛和加工成本。然而，现阶段3D打印技术在微流控芯片加工中的应用主要集中在复杂空间流道结构的构建上，而对于异型截面流道的3D打印制造仍鲜见报道。鉴于此，本研究提出一种基于3D打印牺牲阳模的异型截面微流道便捷加工方法。利用皮秒激光切割技术加工任意形状的喷嘴微孔，采用桌面级的FDM打印机即可方便地打印出具有各种异型截面的丙烯晴一丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile butadiene Styrene， ABS） 流道阳模，结合常规的PDMS倒模复制技术和ABS溶解技术，能够方便地获得无需键合、易于嵌入功能器件的PDMS微流控芯片。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

QS-PICOUV皮秒激光器（江阴德力激光设备有限公司）; YF-FW300连续光纤激光焊接机（苏州盈飞激光技术有限公司）; HOFI X1 FDM打印机（南京宝岩自动化有限公司）; KDS270精密注射泵（美国KD Scientific公司）; IX71倒置荧光显微镜（日本Olympus公司）; EXi Blue CCD相机（美国Qimaging公司）。

聚二甲基硅氧烷（PDMS，美国Dow Corning公司）; 聚苯乙烯微粒（直径为15 μm，上海辉质生物科技有限公司）; 磷酸盐缓冲液（PBS）、吐温20 （美国Sigma Aldrich公司）。

2.2 实验方法

2.2.1 ABS流道阳模打印 为实现具有异型截面的流道阳模打印，在挤出喷嘴的顶端加工出不同形状的微孔，对常规的桌面级FDM打印系统进行改进，如图1所示。流道阳模打印时，选用直径为1.75 mm的ABS圆截面丝材作为原材料，将喷嘴加热至230℃后挤出成型，形成流道阳模。在ABS挤出的整个过程中，将打印阳模的末端固定在打印平台上，通过匹配ABS挤出量与打印平台向下移动的距离，控制ABS挤出的速度低于打印平台向下运动的速度，从而保證打印流道阳模的直线度。为克服现有FDM喷嘴圆形微孔只能挤出圆截面丝材的缺陷，提出一种基于皮秒激光切割技术的喷嘴微孔形状定制加工方法（如图1B所示）。首先，车削去除标准303不锈钢喷嘴的尖端，露出直径为4 mm的圆形平台。然后，根据设计的流道截面（具体形状和尺寸参见3.1节），利用皮秒激光器在100 μm厚的304不锈钢薄片上打孔，并以微孔为中心将不锈钢薄片切割成直径为4 mm的圆片。将304不锈钢圆片和303不锈钢喷嘴放入丙酮中超声清洗10 min，取出吹干后，将两者对准，利用连续光纤激光焊接机沿圆片四周进行焊接密封，最终获得的改进喷嘴实物如图1C所示。在上述喷嘴制造过程中，利用皮秒激光切割技术可根据需求灵活地加工出不同形状和尺寸的微孔。将改进喷嘴安装到FDM打印机上进行ABS挤出时，喷嘴上微孔的轮廓限制了熔融ABS材料的横向流动，从而将设计的流道截面形状转移至挤出的ABS流道阳模截面上。

2.2.2 PDMS微流控芯片加工

打印获得微流道的ABS阳模后，结合经典的PDMS浇注技术和ABS溶解技术实现PDMS微流控芯片的加工，如图2所示。首先，将PDMS预聚体和固化剂以质量比10∶1进行均匀混合，抽真空脱气后备用。将部分PDMS混合液转移至4英寸培养皿内，在80℃烘箱中保持1 h后固化形成5 mm厚的PDMS基底。将打印好的ABS流道阳模水平固定于PDMS基底的上表面，浇注更多的PDMS混合液，并在80℃烘箱中继续保持1 h，在ABS阳模的上方固化形成另一层5 mm厚的PDMS。将固化后的PDMS从培养皿中取出，在四周沿距离流道阳模5 mm处进行切片，并利用打孔器在ABS流道阳模的两端加工通孔。将获得的PDMS块浸入丙酮溶液，进行多次超声清洗来溶解嵌在PDMS内部的ABS流道阳模。采用去离子水超声清洗并吹干后，在PDMS块通孔的一侧注入少量PDMS混合液并固化密封，得到完全由PDMS构成的微流控芯片。为了能够从侧面观察微流道内的微粒运动情况，在芯片的侧向切面上涂覆少量PDMS混合液并将切面贴合载玻片进行固化，用于消除切面上的划痕以提高微流控芯片的侧向光学成像性能。由于微米尺度的ABS阳模溶解耗时较长（约4 h），并且在微流控芯片的加工过程中需进行多次PDMS固化处理，造成微流控芯片的整个加工周期长达8 h，可采用批量加工的方式缩短单个芯片的加工时间。

2.2.3 微粒惯性聚焦实验平台的搭建 为了验证流道截面形状对微粒惯性聚焦行为的调控作用，搭建了实验观测平台对微粒在微流道内的迁移运动规律进行表征。将微流控芯片的入口和出口分别通过PTFE导管与装有微粒悬浮液的注射器和废液管连接，并将注射器装载在精密注射泵上用于稳定驱动微粒悬浮液。将微流控芯片水平或垂直固定于倒置荧光显微镜的载物台上，分别用于观测微流道内微粒在正向和侧向上的运动。利用10倍物镜和荧光观测模块，结合14位高速CCD相机及配套软件，对微粒在微流道内的运动情况进行明场和荧光观测，并将微粒的动态运动过程存储为图像序列。随后，利用开源软件ImageJ对获得的微粒运动图像序列进行处理，定量分析微粒在异型截面微流道内的惯性迁移运动规律。具体步骤如下：将同一实验条件下的多张微粒运动明场和荧光图像分别进行堆叠，获得微粒在流道内的统计分布以去除随机因素的影响。将叠加后的明场与荧光图像进行组合，确定荧光图像中的流道壁面的位置。在荧光图像上沿流道宽度方向绘制检测线，并提取获得沿检测线的荧光强度分布曲线，用于量化表征微粒在流道内的横向分布情况。

3 结果与讨论

3.1 异型截面微流道加工结果

为验证提出的异型截面微流道加工方法的有效性，设计方形、半椭圆形和等腰三角形作为流道截面，并将所有图形的高度与底边长度均设为200 μm，以便进行比较。利用皮秒激光切割技术，将设计图形转移至打印喷嘴微孔后得到的显微图像（图3A）。从图3A可见，加工得到的喷嘴微孔形状与设计图形保持一致。由于切割微孔时采用圆形激光光斑，因此在喷嘴微孔的尖角处形成过渡圆弧。为定量分析喷嘴微孔的尺寸信息，对微孔面积进行测量并计算得到方形、半椭圆形和三角形的理论边长分别为211、221和273 μm。需要说明的是，尽管加工得到的喷嘴微孔尺寸高于设计值，然而这些尺寸误差并不影响后续微流道阳模的打印。采用特定形状的喷嘴微孔挤出ABS材料时，通过匹配挤出量与打印平台向下移动的距离，即可得到具有理想截面尺寸的微流道阳模。由于在流道阳模打印过程中始终保持挤出的ABS丝材处于拉直状态，得到的流道阳模具有较好的直线度（如图3B和图3C所示）。打印获得ABS流道阳模后，结合PDMS浇注技术与牺牲阳模溶解技术，得到的典型PDMS流道截面如图3D所示，测得方形、半椭圆形和三角形流道截面的理论边长分别为199、201和234 μm。对比PDMS流道截面和喷嘴微孔的形状，发现微流道在截面的各边中心处向外凸起。利用FDM技术打印流道阳模时，需通过挤出机向喷嘴内的熔融ABS材料施加压力。当通过挤出微孔离开喷嘴后，ABS材料内部的应力释放将引起材料向外侧膨胀。由于在喷嘴微孔各边的中心附近存在相对较少的边界约束，使得ABS材料在这些位置的横向膨胀更加明显，最终造成在微流道截面的各边中心处产生凸起。由图3D可见，尽管在流道截面的尖角处存在过渡圆弧、在各边的中心处存在凸起，本研究提出的基于3D打印牺牲阳模的异型截面微流道加工方法能够有效地将设计图形转移至微流道截面上。采用3D打印牺牲阳模加工微流道的另一个优势是可通过控制挤出ABS丝材的长度方便地调整加工微流道的长度。

3.2 多尺寸微流道加工结果

基于改进喷嘴挤出异型截面流道阳模方法的一个显著优势是能够利用同一喷嘴进行多尺寸流道的加工。采用指定改进喷嘴打印流道阳模时，控制ABS材料的挤出量或挤出长度即可方便地调整流道阳模的截面尺寸，而保持流道阳模的截面形状不变。为了简化打印工艺，将ABS丝材的挤出长度（即打印平台向下移动的距离）固定为150 mm，仅通过控制ABS材料的总体挤出量进行流道阳模的多尺寸加工（挤出量与流道阳模理论边长的平方成正比）。采用图3A所示的半椭圆形喷嘴，设定不同ABS挤出量，打印获得的半椭圆形流道截面显微图像如图4A所示（图中同时包含了对应标准半椭圆形的理论边长值）。尽管采用同一个打印喷嘴，在不同ABS材料挤出量的情况下得到的流道尺寸相差較大，半椭圆形流道截面的理论边长从95 μm变化到262 μm。对比不同尺寸的微流道，发现流道截面的形状仍保持一致。对于方形和三角形喷嘴而言，在不同ABS挤出量情况下加工微流道得到的结论与半椭圆形相似，计算得到方形、半椭圆形和三角形流道的截面理论边长值如图4B所示（图中箭头位置表示对应打印喷嘴微孔的理论边长），提出的基于3D打印牺牲阳模的微流道加工方法能够利用单个喷嘴制造出不同尺寸的微流道。针对特定的打印喷嘴，能够加工的最大流道尺寸由保持打印阳模拉直状态的最大挤出量确定，而能够加工的最小流道尺寸则依赖于打印平台的稳定性（打印平台的振动将直接影响较小尺寸流道阳模的直线度）。具体而言，对于方形打印喷嘴（理论边长为211 μm），加工得到流道截面的理论边长范围为84～254 μm。而对于三角形打印喷嘴（理论边长为273 μm），加工得到的流道截面理论边长范围为97～322 μm。

3.3 微粒惯性操控实验

为了验证加工得到异型截面微流道在调节微粒惯性操控方面的有效作用，搭建了实验平台系统， 研究微粒在半椭圆形和三角形直流道内的惯性聚焦行为。有限雷诺数情况下，当牛顿流体在微尺度直流道内呈层流流动时，抛物线型的流速分布将在悬浮于流体内的微粒上诱导产生一个指向流道壁面的剪切诱导惯性升力FS。而当微粒横向运动至流道壁面附近时，流道壁的存在降低了微粒的运动速度，从而在微粒上诱导产生一个指向流道中心的壁面诱导惯性升力FW。上述方向相反的剪切诱导惯性升力和壁面诱导惯性升力的合力统称为惯性升力FL=fLρU2ap4/Dh2[9]。其中，fL为惯性升力系数，ρ为流体密度，U为流体平均流速，ap为微粒直径，Dh为流道水力直径。当随流体在微流道内流动时，微粒将受到惯性升力的作用而横向迁移运动至惯性升力为零的截面位置，从而形成稳定的惯性聚焦。对于方形流道而言，微粒将在靠近流道截面边长的中心附近形成稳定的四个聚焦平衡位置[21]。已有大量研究者对方形流道内微粒的惯性迁移运动规律进行了系统研究，因此本研究不再讨论流体在方形流道内的分布情况以及微粒在方形流道内的惯性聚焦行为。

根据上述惯性聚焦理论，选取平均直径较大的15 μm聚苯乙烯荧光粒子作为测试微粒，选用长度为6 mm、具有较小尺寸的半椭圆形（理论边长为121 μm）和三角形（理论边长为116 μm）流道作为测试载体，以保证流经微流道后的微粒能够形成有效惯性聚焦。为避免微粒在受限微流道内的相互干扰，配制极低浓度的微粒PBS悬浮液，并加入少量表面活性剂吐温20，以减少微粒团聚及其在流道壁面上的黏附。在每次实验前，向微流道内持续通入无水乙醇30 min，清除流道内的杂质并排出微气泡。实验测试时，在50～300 μL/min的流量范围内（间隔50 μL/min）将微粒悬浮液注入微流道。观测不同流量下流道出口处的微粒运动荧光图谱，分析得到对应的定量规格化荧光强度分布曲线如图5所示，其中左侧为流道正视图， 右侧为流道侧视图。为了能够直接比较两种微流道内的微粒惯性聚焦情况，将半椭圆形和三角形流道的宽度与高度均归一化为100 μm。从图5可见，流体流量是调控微粒惯性聚焦特性的有效参数。当流量较低时，由于微粒所受惯性升力的作用相对较弱，在有限长的流道内部分微粒尚未形成稳定的惯性聚焦。而随着流量增加，微粒在更强惯性升力的作用下逐渐稳定聚焦在流道截面内的平衡位置上。对于半椭圆形流道而言，流量较低时微粒在靠近流道截面的右下角处形成伪聚焦现象。这可能是由打孔时加工误差造成在流道入口处微粒集中于流道右下角附近，并且在有限长的流道内微粒未形成有效的横向迁移。随着流量逐渐增加至300 μL/min，聚集在流道右下角的微粒因受到更强的惯性升力作用而逐渐横向迁移运动至稳定的惯性聚焦平衡位置上。对于三角形流道而言，虽然在低流量时的微粒伪聚焦位置与半椭圆形流道存在较大差异，然而在高流量时的稳定聚焦平衡位置数量与半椭圆形流道一致，即在水平方向上存在3个平衡位置，在垂直方向上存在2个平衡位置。进一步比较两种流道内微粒的稳定聚焦平稳位置，发现在水平方向上三角形流道内的微粒聚焦位置更靠近流道中心，而在垂直方向上三角形流道内的微粒聚焦位置则更靠近流道底部。

为进一步分析产生上述微粒惯性聚焦现象的潜在原因，采用多物理场有限元分析软件COMSOL Multiphysics的层流模块对半椭圆形和三角形微流道内的流体流动情况进行仿真。首先，利用SolidWorks软件建立流道三维模型并将其导入COMSOL中构建微流道的几何模型，定义流道壁面为无滑移边界。将悬浮液简化为水溶液（密度为1000 kg/m3、动力粘度为1 mPa·s），并将流体设置为不可压缩流体。定义流道入口为层流流入，平均流速根据实验测试流量与微流道截面的比值确定，入口长度为1 mm，流道出口压力设置为0 Pa。采用细化的四面体网格划分模型，求解稳态Navier-Stokes方程， 得到流量为300 μL/min时半椭圆形和三角形微流道截面上流体流速的分布情况。 如图6所示（图中填充圆形用来表示实验测得的微粒聚焦平衡位置），流体的流速在流道中心附近最高，且沿着径向距离的增加而逐渐下降至零，呈现出典型的层流流动特性。因此，在指向流道壁面的剪切诱导惯性升力FS和指向流道轴心的壁面诱导惯性升力FW共同作用下，微粒在靠近流道截面边长的中心附近形成稳定的3个平衡位置。需要注意的是，三角形微流道的3个惯性聚焦平衡位置与Kim等[13]报道的结论一致，然而半椭圆形微流道的3个惯性聚焦平衡位置则与Kim等[13]提出的半圆形流道有所不同。当微粒在半圆形微流道内随流体流动时，将在靠近流道顶部和底边中心处形成2个稳定的聚焦平衡位置。由于本研究采用的半椭圆形流道的截面高度是半圆形流道的2倍，造成半椭圆形流道内的微粒惯性聚焦行为更加接近于形状相似的三角形，而半圆形流道内的微粒惯性聚焦行为则更加接近于形状相似的低深宽比矩形流道[9]。从图6可见，与半椭圆形流道相比，三角形流道内的流体流速分布更加集中且向流道底边偏移，从而造成微粒聚焦平衡位置在水平方向上向流道中心靠近、在垂直方向上向流道底边靠近的现象。

4 结 论

提出了一种基于3D打印牺牲阳模的异型截面微流道便捷加工方法，利用改進的FDM打印系统制造异型截面流道ABS阳模，结合PDMS倒模复制技术和ABS溶解技术加工PDMS微流控芯片。采用皮秒激光切割技术可加工任意形状的喷嘴微孔，并借助FDM打印机方便获得具有异型截面的微流道阳模。另外，针对特定形状的喷嘴微孔，可通过控制打印材料的挤出量或挤出长度灵活地调整微流道的截面尺寸。通过加工具有不同尺寸的方形、半椭圆形和三角形流道，验证了本方法在加工异型截面微流道方面的有效性。与现有异型截面微流道加工技术相比，本方法具有适用范围广、加工成本低和实验操作简单等显著优势，为拓展微纳加工手段提供了一种有益思路。为验证异型截面在微粒惯性操控方面的调节作用，系统研究了不同流体流量下微粒在半椭圆形和三角形微流道内的惯性聚焦行为。结果表明，半椭圆形和三角形流道内的微粒随流量增高时将逐渐横向迁移运动至靠近流道截面边长的中心附近，并最终形成3个稳定的平衡位置。

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