墨水直寫3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高效、低成本制造微流控器件

來(lái)源：MEMS

微流控器件由于其具有體積小、響應(yīng)速度快和檢測(cè)靈敏度高等特點(diǎn)，被廣泛用于生物醫(yī)藥、化學(xué)合成、農(nóng)業(yè)治理和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代增材制造技術(shù)的飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)為微流控器件制造提供了一種更具吸引力的解決方案。與傳統(tǒng)微加工技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具備設(shè)計(jì)加工速度快、材料適應(yīng)性廣和成本低等優(yōu)勢(shì)。

目前，利用3D打印技術(shù)制造微流控器件的主要方法包括立體光刻（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）、熔融沉積成型（FDM）和墨水直寫（DIW）等。FDM和DIW技術(shù)主要基于材料擠出方法，制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，在材料適應(yīng)性和成本等方面更具優(yōu)勢(shì)，是3D打印微流控器件較為理想的選擇。不過，大部分利用FDM方法制造的微流控器件是不透明的或半透明的，面臨著后處理過程復(fù)雜且耗時(shí)等難題，一定程度上限制了其實(shí)際應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)和遼寧省農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心的研究團(tuán)隊(duì)共同提出了一種基于DIW方法的3D打印技術(shù)，為微流控器件的制造提供了一種高效且低成本的解決方案。該研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

該項(xiàng)研究中，用于3D打印微流控器件的材料是來(lái)自美國(guó)道康寧（Dow Corning）的Dowsil 732，它在各個(gè)行業(yè)中被用作密封劑或封裝劑。研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了Dowsil 732的固化時(shí)間和表面疏水性，證明了其適用于微流控器件的生產(chǎn)制造。

（A）Dowsil 732在不同溫度下的固化時(shí)間；（B）Dowsil 732在不同濕度下的固化時(shí)間；（C）Dowsil 732表面液體的接觸角測(cè)量。

為了確保獲得高精度的微通道結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)在55-70psi的壓力范圍內(nèi)分別測(cè)量了340μm和420μm噴嘴的擠出速度，并分析了印刷壓力和印刷速度對(duì)通道壁精度的影響，進(jìn)而根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了以印刷壓力和速度為輸入，以微通道壁精度為輸出的打印參數(shù)優(yōu)化模型。觀察結(jié)果表明，模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常匹配，精度超過95%，能夠有效反映印刷速度、印刷壓力和通道壁精度的變化趨勢(shì)。因此，該模型可用于預(yù)測(cè)微通道壁的3D打印結(jié)果。

（A）通道實(shí)際打印寬度與340μm噴嘴設(shè)計(jì)尺寸的對(duì)比圖；（B）通道實(shí)際打印寬度與420μm噴嘴設(shè)計(jì)尺寸的對(duì)比圖；（C）由340μm噴嘴打印的直通道示意圖；（D）由340μm噴嘴打印的彎曲通道示意圖。

為了進(jìn)一步證明Dowsil 732材料3D打印的多功能性，研究團(tuán)隊(duì)演示了三個(gè)打印實(shí)例——微混合器、濃度梯度發(fā)生器和液滴發(fā)生器，驗(yàn)證了該制造方法的可行性。

微流控器件的印刷工藝示意圖

利用340μm噴嘴打印的微流控器件：（A）微混合器；（B）濃度梯度發(fā)生器；（C）液滴發(fā)生器。

研究結(jié)果表明，基于材料擠出工藝的3D打印技術(shù)，有效降低了微流控器件制造的資金和技術(shù)門檻，為設(shè)計(jì)制造兼具透明度和時(shí)間效益的微流控器件提供了一種極具吸引力的解決方案。

論文信息：https://doi.org/10.1038/s41598-022-05350-4