Nat. Commun.|新型原位转移桶聚合 3D打印技术将微流器打印精度提高10倍

南加州大学的研究人员提出了一种精密的3D打印技术，可以大规模高精度地打印3D微流体通道。该技术被其称为原位转移桶聚合（in situ transfer vat photopolymerization, IsT-VPP）。本研究目前已发表于Nature Communications（www.doi.org/10.1038/s41467-022-28579-z）。

微流控器件是在芯片上由微小通道组成的紧凑小型的测试器件。使用微流控器件能够降低药物开发的成本并实现精确的医疗诊断。制造微流控器件的传统方法是在超净间中操作的，使用软光刻技术，制备步骤多且工艺复杂。

3D打印技术的出现虽然提供了一种快速制造生物医学设备的方法，但3D打印的灵敏度较低，还不能制备微流控器件中具有微小细节的层结构。

使用IsT-VPP技术，南加大的研究人员能够制备出高度为10μm、高精度（2μm以内）的微流体通道，并无需使用低透明度的液体树脂或降低制造速度。其中，VPP的操作过程是，首先使用液体光聚合物树脂来逐层建立要印刷的对象，然后用紫外线照射该物体，使每一层的树脂固化和变硬，将打印的物品向上或向下移动，从而能够构建更多的层的物体。尽管VPP能够实现一步到位的制造，但对制备微流控设备的微米级通道来说，其重复性和精确度较低。这是因为紫外光源有渗透到残留的液体树脂处的趋势，从而通道壁内的材料也会被固化和凝固。

在理想情况下，紫外光源固化一层通道壁上的材料，而通道内的液体树脂不受影响。但是，由于微流器通道直径仅10微米，因此很难精确控制固化深度。

南加州大学的研究人员使用3D打印制备的微流控芯片。微流控设备制造与常用的405nm光源和商业光固化树脂兼容。

研究人员考虑到虽然不透明的树脂比透明的树脂允许更少的光穿透，但不透明材料制备的微流器并不适合后续在显微镜下进行观察。为了在微流控设备所需的微尺度的透明树脂中制备高精度微通道，研究人员开发了一个辅助加工平台，该平台在光源和印刷设备之间移动，能够阻挡光线使通道壁内的液体固化。

具体来说，当通道顶盖（即包围通道的设备顶层部分）被打印出来时，辅助平台被用来防止光线穿透到通道内的残余液体树脂。然后，通道顶层被原位地转移到所建部件上。之后，所有其他的层都使用标准的VPP工艺进行印刷。这样，通道内的任何残留树脂都能保持在液体状态，在印刷过程后可以被冲出，形成微通道。

该技术将3D打印微流器的通道尺寸由目前商用的100微米压缩到10微米，而且提高了精度，打印误差在正负1微米之间。实现了3D打印微小通道的一个突破。IsT-VPP技术与常用的405纳米光源和商业光固化树脂兼容。研究人员制造了多样的多功能设备验证了该技术的可行性，包括3D蛇形微流体通道、微流体阀门和颗粒分拣设备。

新的3D打印平台可以为癌症检测和研究提供巨大的好处。例如，正常细胞约为20微米，肿瘤细胞的尺寸比正常细胞略大，可能超过100微米。使用简单的微流控设备，让样品流经具有精确打印的微通道，可以将不同尺寸细胞分离，这样就避免了检测时健康细胞的干扰，提高检测灵敏度。 也可以在微通道中将血样与其他化学品混合，进行多样的医学检测，例如， COVID或血糖检测。

研究团队正在为该3D打印方法申请专利，以便将该制造技术商业化，用于医疗检测设备。