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打印挥发性模具的复制:一种用于先进微流体系统的新型微制造方法

发布时间:2019-10-08
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基于挥发性固体模具的喷墨打印,巴黎萨克雷大学相关研究团队在“Replication of a Printed Volatile Mold: a novel microfabrication method for advanced microfluidic systems”的研究中提出了一种新颖且简单的微通道制造方法。从MicroFab的高温压电喷头(MJ-SF-04-060)喷出的液体墨水 -1,6 己二醇 - 接触冷却的基板时会立即冻结,然后用PDMS浇注创建的模具。一旦PDMS交联,墨水就会升华,设备就准备好了。通过这种方法,可以在不同性质的表面上制作微通道,例如玻璃、纸、未交联的PDMS层或非平面基材。这种方法的多功能性通过直接在商业电极上打印通道和测量通道电容来说明。此外,毫米高度的微流体系统很容易生产(纵横比≥25) 以及桥梁等3D结构。为了演示,研究团队制造了一个组合微流体系统,该系统可以从4个初始溶液中生成6个混合物,而无需任何堆叠和繁琐的对齐过程。


制作工艺

制造过程如下图所示。首先,模具的材料,即墨水,必须以液相沉积在基材上。它应在冷藏表面快速固化,以获得良好的模具稳定性。喷墨打印方法最适合这种工艺。该方法包括通过喷射材料液滴到基材上来产生图案。喷墨打印是一种成熟的和非常强大的技术,该技术已在导电材料沉积,聚合物沉积,甚至是组织工程上被广泛地使用和研究。这是一种非常通用的方法,分辨率低至20μm,且可以使用不同的墨水在同一基材上产生不同的功能。在此阶段,可以在基板上添加其他元件,例如外壳。然后将一种可以交联的材料倒在模具上,称之为外壳。交联条件不得引起墨水的熔化。一旦外壳坚固,就必须打开通道。研究团队通过蒸发排出墨水。由于气体的排空比液体的排空快得多,因此大大减少了墨水的去除时间。为确保快速提取,蒸发温度应相对较低,以便通过施加合理的热量和真空来完成提取。最后一步是一项完整的创新。

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▲ 图1 微流控芯片的制作过程。( a ) 墨水以液相沉积在基材上,并立即冻结。( b ) 可以添加附加元素。这里有一些用于连接的元件和一个外壳,以避免PDMS的扩散。( c ) 将系统浸入在低于墨水熔点的温度下交联的PDMS中。( d ) 墨水蒸发,留下开放的通道。该系统可直接使用或从基材上取下以供进一步应用。

外壳可以从基材上脱开并粘合到另一个上,例如使用等离子技术。但是,如果外壳对基材有很好的附着力,则可以直接使用芯片。研究团队称这种方法为打印的挥发性模具(RPVM)的复制。

RPVM制作的芯片如下图所示 。墨水蒸发后,红色染料直接流入芯片中,无需等离子键合(PDMS直接固化在玻璃上)。为了测试这些芯片的电阻,打印了一个只有一个开口的通道。油墨成型蒸发后,通道(宽190μm,高180μm) 充满水并承受越来越大的压力。研究团队发现该系统可以承受350mbar的压力,并在400mbar时断裂,这对于大多数微流体应用来说已经足够了。该过程可以在亲水基材(玻璃和硅晶片)以及疏水基材(PDMS、聚丙烯、聚酰亚胺)上完成。此外,对基材的粗糙度或曲率没有限制。在下图c,d中,使用几乎没有保持平坦的,非常粗糙的滤纸,和液体PDMS作为基材。

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▲ 图2  ( a ) 打印在玻璃上的己二醇图案的演示(基材温度5℃) 和 ( b ) 填充红色染料的最终芯片。通道宽度为50μm。该芯片在去除墨水后直接使用,即没有等离子键合。( c ) 非扁平醋酸纤维素滤纸(基材温度 5℃)。( d ) 未交联的液体PDMS(基材温度-24℃)。比例尺2mm。


几何通道

当仅打印一条滴线时,通道的横截面具有透镜形状,如下图第一幅图像所示 。通道形状的角度取决于墨水在基材上的接触角、液滴撞击速度和凝固时间。通道的高度可以通过在彼此顶部打印几条线来单独调整,即通过打印几层相同的图案。对印有不同层数的芯片垂直切片进行成像以观察通道的横截面,如图3所示 。第一层相对平坦,宽83μm,高16μm。然而,在第三层之后,每一层新层都以相同的方式沉积,导致通道宽度为50μm时的高度增加了31±3μm。要注意的是,预沉积层可能会隔离沉积墨水的热传递,但是,至少在玻璃基材冷却至5℃的情况下,这似乎对制造高纵横比没有任何影响。作为层数函数的通道高度,如图4所示 ,正如预期的那样,高度与沉积层成线性比例。需要注意,很容易获得非常大的纵横比,如图4的插图所示:在5℃下,在玻璃基材上获得40层宽度为50μm且高度≥1200μm的通道(纵横比≥25)。这与其他方法形成对比,例如软光刻,由于衍射或脱模限制,纵横比更多在10左右。

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▲ 图3 通过打印多层材料来控制通道高度。去除墨水后通道横截面的图片。通道是通过多次打印相同的单线图案获得的:1、2、3、10、20和40层相互叠加。

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▲ 图4 作为层数的函数的通道的测量高度。

类似地,可以通过打印几条彼此相邻的平行线来调整通道的宽度。在这种情况下,隔行,即每条线之间的距离对所得通道的高度和形状有影响,如下图所示 。在40和80μm之间改变隔行会导致通道高度在75和110μm之间。研究人员在大多数打印通道的顶部观察到一个小凹陷。如图5-f所示,如果隔行太大,则会发生更严重的变形。相反,如图5-g所示,如果隔行太小,由于液滴在冻结前聚集在一起的趋势,通道形状会发生完全扭曲。在接下来的研究中,行距将固定为40μm。

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▲ 图5 行间长度对通道形态的影响。( a - f ) 通过打印3层相同图案获得的通道,由5条平行线组成。隔行分别为40、50、60、70、80 μm。( g ) 通过打印5层10条平行线获得的通道,隔行为35μm。(比例尺50μm)。


平面结构之外

在其基本形式中,大多数微制造方法仅允许平面结构,即两个通道不能在没有通信的情况下相互交叉的设计。设计必须以2D形式绘制,因为大多数3D结构无法在不撕裂材料的情况下脱模。

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▲ 上:在单个打印步骤中制作的交叉通道模具和由此产生的PDMS微流控芯片。两个交叉的通道充满了红色和蓝色墨水。通道宽度为200μm。下:使用RPVM方法通过一层打印获得的组合混合器的图示。


电子元件集成

通常,这些电子元件不能以其工业通用形式直接使用,因为标准技术缺乏通用性。即使是基本的组装步骤,例如让部件与通道接触,也可能非常困难。例如,等离子键合需要干净且平坦的基板。RPVM方法的一个优点是无需成为专家或访问技术平台即可创建先进的微流体系统。

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▲ 上:通过 RPVM 集成在微流体通道中的叉指金电极。下:当通道充满去离子水和缓冲溶液时复阻抗的幅度。


参考文献:

[1] Brossard R ,  Brouchet T ,  Malloggi F . Replication of a Printed Volatile Mold: a novel microfabrication method for advanced microfluidic systems[J]. Scientific Reports.

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