一种基于水凝胶3d打印的聚合物微流控芯片制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属微流控芯片技术领域，具体涉及一种基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法。
【背景技术】
[0002]微流控芯片主要使用玻璃、石英和聚合物制作[I]，其中玻璃和石英微流控芯片通常采用光刻与化学刻蚀相结合的方法加工，技术和设备要求高，难以采用模具大批量生产，价格比较昂贵，限制了其广泛应用。于是，近年来聚合物微流控芯片得到了发展和重视，可使用模具通过注塑、印模和浇铸等技术低成本批量生产[2]。用于加工微流控芯片的聚合物有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)等[3]，其中聚甲基丙烯酸甲酯和聚二甲基硅氧烷是两种较常用的材料。聚合物微流控芯片由于可批量低成本加工，在生物医药分析、环境监测、食品药品分析和临床诊断等方面具有广阔的应用前景。
[0003]聚二甲基硅氧烷微流控芯片的加工通常采用浇铸法，即将商品预聚体与交联固化剂混合后，通过模具浇铸而成，工艺比较成熟。热塑性聚合物微流控芯片的加工技术有热压
[4]、注塑[5]、激光烧蚀[6]等，其中热压技术目前使用较多，硅阳模或金属阳模采用微机电加工技术制作。热压对芯片模具的机械强度要求较高，硅模具易碎，通常热压次数不超过50次[7]，需采用微机电加工技术和设备，制作成本高，步骤繁多，且每片阳模需单独加工。特别在浇铸法制备聚合物微流控芯片时，硅和金属与成形的聚合物微流控芯片间作用力较大，脱模十分困难，经常造成模具和芯片的损坏。于是，使用廉价材料加工能批量低成本生产的阳模具有重要的实际意义。
[0004]高分子水凝胶主要以天然高分子材料(如琼脂、卡拉胶、明胶等)和人工合成高分子材料(如聚乙烯醇等)为载体，含有大量的水分，具有成本低廉和容易加工的特点，废弃后可在环境中自然降解，将其用于微流控芯片的加工，可以大幅度降低芯片加工成本。
[0005]3D打印是近年来高速发展的一种数字化快速成型技术。按照打印成型原理，较为成熟且具备实际应用前景的有5种，包括熔融堆积成型(FDM)、立体光固化成型(SLA)、分层实体制造(LOM)、三维粉末粘接(3DP)和选择性激光烧结(SLS)。目前，市面上销售的多是熔融堆积成型(FDM)3D打印机，主要以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)和聚乳酸(PLA)作为打印材料。于是，我们想到采用FDM技术3D打印融化水凝胶以制备廉价的微流控芯片水凝胶阳模，以简化芯片加工流程，并采用浇铸法复制聚合物微流控芯片。但经查阅国内外文献，尚未发现有使用3D打印水凝胶阳模加工聚合物微流控芯片的报道。本发明建立了一种基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法，无需使用昂贵的光刻和微加工技术和设备，具有工艺简单和成本低廉的优点，在聚合物微流控芯片的批量低成本加工领域有良好的应用前景。
[0006]参考文献
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(3): 59-64.ο
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提出一种工艺简单的基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法，不仅可用于芯片的批量低成本加工，还可用于具有复杂结构的单个聚合物微流控芯片的个性化设计和定制加工。
[0008]本发明提出的基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法，具体步骤为:
(I)配制3D打印用琼脂热可逆水凝胶或卡拉胶热可逆水凝胶，水凝胶的组分主要为水、交联剂以及卡拉胶或琼脂等。可通过调节水凝胶的浓度和使用交联剂用量，使配制的3D打印用水凝胶具有一定的机械强度，融化后溶液粘度低且冷却后胶凝速度快，以便于熔融堆积3D打印。
[0009](2)采用计算机辅助设计软件(如AutoCAD)设计与微流控芯片的通道网络、溶液孔、反应器等结构单元相对应的阳模，生成3D打印机可直接读取的设计文件，如二进制的STL文件。
[0010](3)3D打印用卡拉胶或琼脂热可逆水凝胶加热熔化后，注入带有恒温加热装置的不锈钢注射器中，将注射器安装在3D打印机的卡位上固定。通过水凝胶3D打印机的进料步进电机推动注射器活塞将融化的水凝胶通过打印头挤出。3D打印机的X轴、Y轴和Z轴的三只步进电机按照由设计文件生成的G代码行进，将融化的水凝胶分层打印在玻璃或聚合物底板上，得到与微流控芯片通道网络、溶液孔、反应器等结构单元相对应的水凝胶阳膜。
[0011](4)将高分子预聚物与固化剂混合得铸模溶液，铸模溶液可以是含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯预聚溶液、含固化剂的聚二甲基硅氧烷低聚物或含固化剂的环氧树脂预聚体等可铸模透明高分子预聚物溶液。将铸模溶液浇在3D打印水凝胶阳模上，盖上盖板使其与水凝胶阳模间的间隙充满铸模溶液，待铸模溶液固化后脱模，得具有微流通道结构的微流控芯片基片;将所得基片与相同材质的微流控芯片盖片封装，即得聚合物微流控芯片成品。
[0012]本发明中，步骤(I)中所述的水凝胶高分子材料选用卡拉胶或琼脂等，其制备的水凝胶具有热可逆性，加热融化，冷却到胶凝点即快速凝固成凝胶，以便于水凝胶阳模的3D熔融打印和在底板上冷却成型。本发明选用卡拉胶和琼脂这两种天然高分子材料配制水凝胶，具有融化后粘度小容易打印和温度低于胶凝点时容易快速胶凝的特点。卡拉胶水凝胶和琼脂水凝胶的交联剂分别选用氯化钾和硼砂。卡拉胶水凝胶的配方:卡拉胶0.5-3%、交联剂氯化钾0.1_2%，水余量;琼脂水凝胶的配方:琼脂0.5-5%，交联剂硼砂0.1-1%，水余量。按这两种配方制备的水凝胶机械强度高，可用于聚合物微流控芯片的浇铸成型。
[0013]本发明中，步骤(2)中所述的设计软件可选用能输出二进制STL格式设计文件的三维设计软件，如AutoCAD、3DMAX、PROE、UG、S0LIDW0RKS等。用于设计与微流控芯片通道网络、溶液孔、反应器等结构单元相对应阳模的三维结构。
[0014]本发明中，步骤(3)中所述的3D水凝胶打印机为商品高精度水凝胶打印机，打印头的内径为50-150微米，可根据STL设计文件直接在底板上打印水凝胶阳模。而且只在有微流通道等结构单元的部位打印水凝胶，可以大幅节省打印时间和打印材料。采用3D打印机打印水凝胶阳膜时，对注射器中卡拉胶水凝胶和琼脂水凝胶的加热温度分别为70-90°C和60-80°C。注射器恒温加热装置包括电加热元件、热电偶和控温仪。
[0015]本发明中，步骤(4)中所述的以3D打印水凝胶阳膜为模板的聚合物微流控芯片基片浇铸成型时，高分子预聚溶液与固化剂配成的铸模溶液夹在3D打印水凝胶阳模和盖板间，水凝胶阳模与盖板的间隙为0.25-1.0毫米并充满铸模溶液，待铸模溶液固化后脱模，即得具有微流通道等结构的微流控芯片基片。
[0016]本发明中，步骤(4)中所述的聚合物微流控芯片封装时，将钻有溶液连接孔的相同材质的聚合物盖片与通过3D打印水凝胶阳模铸模制备的微流控芯片基片有通道等结构的一面对准后合上，采用热压、键合或粘合等技术封装，然后修边，得聚合物微流控芯片。
[0017]本发明提出的基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法，进一步详述如下:
首先，需配制3D打印用卡拉胶热可逆水凝胶或琼脂热可逆水凝胶，主要含水、交联剂以及卡拉胶或琼脂等。可通过调节水凝胶的浓度和使用交联剂用量，使制备的3D打印用水凝胶具有一定的机械强度，使打印得到的水凝胶阳模具有一定的强度，可用于聚合物微流控芯片的浇铸成型。还要求水凝胶融化后溶液粘度低，便于3D打印机融化打印。此外，还需要融化的水凝胶打印到冷的底板9上冷却后胶凝速度快，以便于堆积成型。通过大量实验筛选，本发明选用卡拉胶和琼脂这两种天然高分子材料配制水凝胶，具有融化后粘度小容易打印和温度低于胶凝点时胶凝速度快的特点。卡拉胶水凝胶和琼脂水凝胶的交联剂分别选用氯化钾和硼砂。卡拉胶水凝胶的配方:卡拉胶0.5-3%、交联剂氯化钾0.1-2%，水余量;琼脂水凝胶的配方:琼脂0.5-5%，交联剂硼砂0.1-1%，水余量。按这两种配方制备的3D打印水凝胶具有机械强度高以及融后粘度低和胶凝快的特点，适用于熔融堆积3D打印和聚合物微流控芯片的浇铸成型。
[0018]采用计算机辅助设计软件AutoCAD2016三维建模设计与微流控芯片通道网络、溶液孔、反应器等结构单元相对应的水凝胶阳膜，典型单十字交叉微流控芯片的设计如附图1，由分离通道2、进样通道7和溶液连接孔(I和4-6)构成，微流通道宽度为50-500微米，溶液连接孔直径1-3毫米。阳膜的高度为30-300微米。获得的设计文件输出为高精度水凝胶3D打印机可直接读取的二进制STL格式文件，存入SD卡中，然后插入水凝胶3D打印机读卡器中启动打印。
[0019]如附图2所示，打印前，先将玻璃或聚合物底板9清洗后烘干，置于3D打印机底部的打印平台上固定并调节水平。将3D打印用卡拉胶热可逆水凝胶或琼脂热可逆水凝胶加热到80-95°C熔化后，注入带有恒温加热装置的不锈钢注射器中，将注射器安装在水凝胶3D打印机的卡位上固定，通过3D打印机的进料步进电机推动注射器活塞将融化的水凝胶通过打印头挤出。3D打印机的X轴、Y轴和Z轴三只步进电机按照由设计文件(如STL文件)生成的G代码行进，将融化的水凝胶打印在底板9上，得与微流控芯片通道网络、溶液孔、反应器等结构单元相对应的水凝胶阳膜8。
[0020]本发明所用的3D水凝胶打印机为商品高精度水凝胶打印机，打印头的内径为50-150微米，可根据STL设计文件直接在底板9上打印水凝胶阳模8(见附图2)。由于只在有微流通道等结构单元的部位打印水凝胶，可以大幅节省打印时间和打印材料。更重要的是无水凝胶的部分为刚性且平整的玻璃板或塑料板，可通过浇铸法获得平整的带有微流通道等结构的基片，有利于后续的封装。本发明使用的3D打印机打印水凝胶阳膜时，对注射器中卡拉胶水凝胶和琼脂水凝胶的加热温度分别控制为70-90°C和60-80°C，注射器上的恒温加热装置包括电加热元件、热电偶和控温仪等。
[0021]将高分子预聚溶液与固化剂混合得铸模溶液10，由于使用的是水凝胶阳模，选用的铸模溶液需在水凝胶融化温度以下固化，且要求固化反应放热很少。符合这些条件的常用铸模溶液有含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯预聚合溶液、含固化剂的聚二甲基硅氧烷低聚物或含固化剂的环氧树脂等，在低于本发明中水凝胶融化温度以下均可固化。将溶解有光引发剂安息香乙醚(甲基丙烯酸甲酯质量的0.1-0.3%)和偶氮二异丁腈(甲基丙烯酸甲酯质量的0.1-0.3%)的甲基丙烯酸甲酯溶液在70-90 0C的水浴中加热20-60分钟，获得含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯预聚合溶液;而含固化剂的聚二甲基硅氧烷低聚物铸模溶液是将商品聚二甲基硅氧烷低聚物(如107室温硫化聚二甲基硅氧烷)与固化剂正硅酸乙脂和促进剂二月桂酸二丁基锡混合获得，其中正硅酸乙脂和二月桂酸二丁基锡的含量分别为5%和1-2%;含固化剂的环氧树脂铸模溶液采用商品双酚A环氧树脂(如E51环氧树脂)与固化剂乙二胺混合制备，其中乙二胺的含量为8-12%。
[0022]根据预制备微流控芯片的要求选用铸模溶液10，浇在3D打印水凝胶阳模8上，并盖上盖板11。盖板11与水凝胶阳模8的间隙通过垫片控制在0.25-1.0毫米范围内，并要求该间隙充满铸模溶液1，当铸模溶液10固化成形并脱模后盖板11成为聚合物微流控芯片基片13的一部分。然后，在相同材质的聚合物盖片15上对应于微流通道基片13通道的末端打溶液连接孔1、4、5和6(见附图1，孔径1-3毫米)。对于浇铸在水凝胶阳模8与盖板11间的含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯预聚合溶液，采用玻璃底板9，在室温下于365纳米的紫外线下照射30分钟可完全硬化得聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片基片13，将带有溶液连接孔的聚甲基丙烯酸甲酯盖片15与基片13对准合上，有结构的一面在中间，采用红外线热压封装后得微流控芯片成品14，见附图5。而对于聚二甲基硅氧烷低聚物和环氧树脂，一旦加入固化剂，其固化反应随即开始，必须在浇铸芯片前将预聚物和固化剂混合并真空脱气。浇铸聚二甲基硅氧烷微流控芯片基片13时，用红外线照射浇铸在水凝胶阳模8与盖板11间的聚二甲基硅氧烷铸模溶液，温度控制在40-500C，铸模溶液在10-30分钟内可以固化为弹性体。底板9需为涂有脱膜剂(如0.1-1%的硬脂酸钠溶液)的聚甲基丙烯酸甲酯板，脱模得聚二甲基硅氧烷微流控芯片基片13。基片13于波长为365纳米的紫外线下照射10-40分钟后，有通道的一面与一片同尺寸的经紫外线处理的打有溶液连接孔1、4、5和6(见附图1，孔径1-3毫米)的聚二甲基硅氧烷盖片对准，在室温下加压封装可得聚二甲基硅氧烷微流控芯片成品15。对于浇铸在水凝胶阳模8与透明环氧树脂盖板11间的环氧树脂铸模溶液，用红外线照射，并温度控制在40-500C，在10-30分钟内可完全聚合，底板9可为玻璃板或聚甲基丙烯酸甲酯板，脱模得环氧树脂微流控芯片基片，制得的基片13可以与一片涂有无水乙醇的同尺寸环氧树脂盖片15在100-150 °C温度范围内通过热压封装得微流控芯片14。
[0023]本发明首次提出并成功建立了基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法，采用水凝胶3D打印技术制备了弹性热可逆水凝胶阳模，并成功用于聚合物微流控芯片的浇铸加工。本发明将3D打印这种数字化快速成型技术用于水凝胶阳模的制备，无需昂贵的光刻和微机电加工技术和设备，可批量打印。由于水凝胶模具材料成本低廉、成形简便和可生物降解的优点，不仅在聚合物微流控芯片的批量低成本加工中有良好的应用前景，还可用于具有特殊结构的个性化聚合物微流控芯片的定制加工。本发明只是打印微流控芯片有通道和功能单元(如反应器)的部分，与微流控芯片整体打印相比，可大幅缩短打印时间、降低能耗和减少打印材料的消耗。
【附图说明】
[0024]图1为本发明加工的典型单十字交叉微流控芯片平面设计图。
[0025]图2为基于3D打印水凝胶阳模8和铸模溶液10表面原位聚合法制备聚合物微流控芯片的流程图。其中，(A)在玻璃底板或聚合物底板9上3D打印卡拉胶水凝胶阳模或琼脂水凝胶阳模8; (B)将铸模溶液1浇铸在水凝胶阳模8上；(C)在铸模溶液1盖上盖板11，使铸模溶液10充满二者间的缝隙；(D)用波长为365纳米紫外光或红外线12引发表面原位聚合得微流控芯片基片13; (E)分离微流控芯片基片13，除去通道内的水凝胶；(F)将微流控芯片基片13与同样材质的聚合物盖片15通过封装得聚合物微流控芯片成品14。
[0026]图3为采用3D打印卡拉胶水凝胶阳模制备的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片基片通道的断面显微镜照片。
[0027]图4为采用3D打印卡拉胶水凝胶阳模制备的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片封装通道的断面显微镜照片。
[0028]图5为采用3D打印卡拉胶阳模制备的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片实物照片。
[0029]图6为含0.5 mM雌三醇16、雌酮17和雌二醇18混合标准溶液的电泳图谱。
[0030]图中标号:I为样品溶液孔，2为分离微流通道，3为含微流通道2和7以及溶液连接孔I，4，5和6的微流控芯片，4、5和6均为缓冲溶液孔，7为进样微流通道，8为熔融水凝胶，9为玻璃底板或聚合物底板，10为由高分子预聚物溶液和固化剂组成的铸模溶液，11为盖板，12为紫外线或红外线，13为聚合物微流控芯片基片，14为聚合物微流控芯片，15聚合物微流控芯片盖片，16为雌三醇，17为雌酮，18为雌二醇。
【具体实施方式】
[0031 ]下面通过实施例和附图进一步描述本发明:
实施例1、3D打印卡拉胶水凝胶阳模在聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片制备中的应用首先，需配制3D打印用卡拉胶热可逆水凝胶，主要含水、交联剂氯化钾以及卡拉胶。卡拉胶水凝胶的配方:卡拉胶1.5%、交联剂氯化钾1%，水余量。称取15克卡拉胶粉末分散到800克水中，在室温(约25 °C )溶涨6小时。然后，加热到95 0C使卡拉胶彻底溶解。将10克氯化钾溶于175克水中，与加热的卡拉胶溶液混合均匀后，负压脱气后浇铸成直径为3-8毫米的条状，置于4°C冰箱中保存。上述配方经过一系列优化实验获得的，主要是通过调节水凝胶的浓度和交联剂用量，使配制的3D打印用水凝胶具有一定的机械强度，使打印得到的水凝胶阳模具有一定的强度，以便用于聚合物微流控芯片的浇铸成型。按此配方配制的水凝胶融化后溶液粘度低，便于3D打印机融化打印。此外，该水凝胶融化后打印到冷的底板9上后胶凝速度快，有利于堆积成型。
[0032]采用计算机辅助三维设计软件AutoCAD2016建模设计与微流控芯片通道网络、溶液孔、反应器等结构单元相对应的水凝胶阳膜，典型单十字交叉微流控芯片的设计如附图1，由分离通道2、进样通道7和溶液连接孔(I和4-6)构成，微流通道宽度约为200微米，溶液连接孔直径2毫米。阳膜的高度约为150微米，分离通道2长65毫米，进样通道7长12毫米，二者在进样通道7的中点交叉连接，芯片的打印幅面的尺寸为75毫米X 16毫米。设计文件输出为高精度水凝胶3D打印机可直接读取的二进制的STL格式文件并存入SD卡中，然后插入水凝胶3D打印机读卡器中启动打印。
[0033]如附图2所示，打印前，先将玻璃底板9清洗后吹干，置于3D打印机底部的打印平台上固定并调节水平后，将3D打印用卡拉胶热可逆水凝胶加热到80°C熔化后，注入带有恒温加热装置的不锈钢注射器中后，安装在水凝胶3D打印机的卡位上并固定，启动注射器恒温加热装置。通过3D打印机的进料步进电机推动注射器活塞将融化的卡拉胶水凝胶通过打印头挤出。3D打印机的X轴、Y轴和Z轴三只步进电机按照设计文件生成的G代码行进，将融化的卡拉胶水凝胶打印在玻璃底板9上，得与微流控芯片通道网络、溶液孔、反应器等结构单元相对应的水凝胶阳膜8。
[0034]实施例1所用的3D水凝胶打印机为商品高精度水凝胶打印机，打印头的内径为100微米，可根据STL设计文件直接在底板9上打印卡拉胶水凝胶阳模8。由于只在有微流通道等结构单元的部位打印水凝胶，可大幅节省打印时间和打印材料。更重要的是无水凝胶的部分为刚性且平整的玻璃板，通过浇铸法可得平整的带有微流通道等结构的基片，有利于后续的封装。本发明使用的3D打印机打印水凝胶阳膜时，对注射器中卡拉胶水凝胶的加热温度控制为约80°C。
[0035]将溶解有光引发剂安息香乙醚(甲基丙烯酸甲酯质量的0.2%)和偶氮二异丁腈(甲基丙烯酸甲酯质量的0.2%)的甲基丙烯酸甲酯溶液在80°C水浴中加热30分钟可获得含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯预聚溶液。取1.5毫升该铸模溶液10沿3D打印在玻璃底板9上的卡拉胶水凝胶阳模8的中线浇在其上，并盖上一片聚甲基丙烯酸甲酯盖板11(75毫米X 16毫米X1.0毫米)。盖板11与水凝胶阳模8的间隙通过垫片控制为0.5毫米，并要求该间隙充满铸模溶液10。在室温下，用波长365纳米紫外线12照射铸模溶液10，20分钟后可完全硬化，聚甲基丙烯酸甲酯盖板11则成为微流控芯片基片13的一部分。图3为采用3D打印卡拉胶水凝胶阳模制备的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片基片通道的断面显微镜照片。在基片13表面中间可观测到清晰的半圆形通道的断面，宽度约200微米，深度约为150微米，深宽比较高，对获得高质量的芯片封装式至关重要的。最后，在聚甲基丙烯酸甲酯盖片15(75毫米X 16毫米X I毫米)的小片上与基片13微流通道末端对应位置处钻溶液连接孔1、4、5和6(见附图1，孔径2毫米)，与基片13上有结构的一面对准合上，通过两平整的玻璃夹板施加2公斤/平方厘米的压力，于远红外灯下加热3分钟，取出自然冷却到室温，即完成基片13与盖片15的封装，得聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片成品14。
[0036]图4为采用3D打印卡拉胶水凝胶阳模制备的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片封装通道的断面显微镜照片。显然，微流控芯片基片13上的未封装通道与盖片15获得了良好的封装，形成半圆形的通道，而且有通道结构的基片13与盖片15间的界面消失，说明二者已经融为一体。图5为采用3D打印卡拉胶阳模制备的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片实物照片，可见芯片通体透明，无气泡，质量令人满意。
[0037]本发明制作的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片与0-3000伏特高压直流电源和安培检测仪构成微流控芯片安培检测系统，检测电极为碳电极，检测电位为0.90伏特(相对于银/氯化银参比电极)，已成功用于雌三醇16、雌酮17和雌二醇18的分离和检测。在10 mM硼酸盐-50 mM十二烷基硫酸钠(SDS)混合溶液(pH 9.2)中，使用分离通道长65毫米的微流控芯片，分离电压为+2000伏特。附图6为含0.5 mM雌三醇、雌酮和雌二醇混合标准溶液的电泳图谱。三种雌激素的检测灵敏度分别为56.68,34.93和29.62 nA/mM。结果表明，本发明制作的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片可在200秒内将上述雌三醇、雌酮和雌二醇完全分离，高效快速，在实际样品分析中有良好的应用前景。
[0038]实施例2、3D打印琼脂水凝胶阳模在聚二甲基硅氧烷微流控芯片制备中的应用微流控芯片的设计和琼脂水凝胶阳模的制作方法同实施例1。
[0039]将77克水与2.5克琼脂粉混合，静置3小时候使琼脂溶胀。然后，加热到90°C使琼脂完全溶解。将0.5克硼砂溶于20毫升水中，趁热将两种溶液混合，冷却到室温得3D打印用水凝胶。
[0040]如附图2所示，打印琼脂水凝胶阳模前，先将聚甲基丙烯酸甲酯底板9清洗后吹干，涂少量脱模剂(0.5%的硬脂酸钠溶液)后晾干，置于3D打印机底部的打印平台上固定并调节水平。将3D打印用琼脂热可逆水凝胶加热到70°C熔化后，注入带有恒温加热装置的不锈钢注射器中后，安装在水凝胶3D打印机的卡位上并固定，通过3D打印机的进料步进电机推动注射器活塞将融化的琼脂水凝胶通过打印头挤出。3D打印机的X、Y和Z轴三个步进电机按照设计文件生成的G代码行进，将融化的琼脂水凝胶分层打印在聚甲基丙烯酸甲酯板9上，在底板9上得到与微流控芯片通道网络、溶液孔、反应器等结构单元相对应的琼脂水凝胶阳膜8。
[0041 ]将商品聚二甲基硅氧烷低聚物107室温硫化聚二甲基硅氧烷与固化剂正硅酸乙脂和促进剂二月桂酸二丁基锡混合，得含固化剂的聚二甲基硅氧烷低聚物铸模溶液，其中正硅酸乙脂和二月桂酸二丁基锡的含量分别为5%和1.5%;取1.5毫升该铸模溶液10沿底板9上的3D打印琼脂水凝胶阳模8长边的中线浇在其上，并盖上一片透明的聚二甲基硅氧烷盖板11 (75晕米X 16晕米X 1.晕米)。盖板11与水凝胶阳模13的间隙为0.5晕米并充满铸模溶液10,用红外线照射浇铸在水凝胶阳模8与盖板11间的铸模溶液，温度控制在45 0C，铸模溶液在20分钟内可以固化为弹性体。当铸模溶液固化成形后，聚二甲基硅氧烷盖板11成为聚合物微流控芯片基片13的一部分，取一片用透明聚二甲基硅氧烷薄板裁减而成的微流控芯片盖片15(75毫米X 16毫米X 1.0毫米)用无水乙醇清洗，吹干，在与基片13上通道末端对应位置处打溶液连接孔1、4、5和6(见附图1，孔径1-3毫米)，基片13和盖片15于波长为365纳米的紫外线下照射30分钟后，基片13有通道的一面与打有溶液连接孔的聚二甲基硅氧烷盖片15对准，在室温下加压封装可得聚二甲基硅氧烷微流控芯片成品14。
[0042]实施例3、3D打印卡拉胶水凝胶阳模在环氧树脂微流控芯片制备中的应用环氧树脂微流控芯片浇铸用卡拉胶水凝胶阳模的设计和加工同实施例1。将商品E51环氧树脂与固化剂乙二胺按质量比90:10混合并真空脱气后，可得含固化剂的环氧树脂铸模溶液，取1.5毫升该铸模溶液10沿卡拉胶水凝胶阳模8长边的中线浇在其上，并盖上一片自制透明环氧树脂盖板11(75毫米X 16毫米X 1.0毫米)。盖板11与水凝胶阳模8的间隙为0.5毫米并充满铸模溶液10。对于浇铸在水凝胶阳模8与透明环氧树脂盖板11间的环氧树脂铸模溶液，用红外线12照射，并温度控制在45°C左右，在25分钟内可完全聚合硬化，底板9为玻璃板，超声脱模得环氧树脂微流控芯片基片13。当铸模溶液10固化成形后，环氧树脂盖板11成为聚合物微流控芯片基片13的一部分。在一片自制环氧树脂盖片15(75毫米X 16毫米X1.0毫米)上对应于基片13上微流通道末端位置处钻溶液连接孔1、4、5和6(见附图1，孔径2毫米)，将微流控芯片基片13和打孔后的盖片15用水乙醇清洗并吹干，在盖片15上涂覆无水乙醇一遍，立即把基片13有通道结构的一面与盖片15合上，通过两平整的玻璃夹板施加3(公斤/平方厘米)的压力，于130°C烘箱中保持10分钟，取出自然冷却到室温，即完成基片13与盖片15的封装，得环氧树脂微流控芯片成品14。
【主权项】
1.一种基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于具体步骤为: (1)配制3D打印用琼脂热可逆水凝胶或卡拉胶热可逆水凝胶，通过调节水凝胶的浓度和使用交联剂用量，使配制的3D打印用水凝胶具有一定的机械强度，融化后溶液粘度低且冷却后胶凝速度快； (2)采用计算机辅助设计软件设计与微流控芯片的通道网络、溶液孔、反应器等结构单元相对应的阳模，生成3D打印机可直接读取的设计文件； (3)3D打印用卡拉胶热可逆水凝胶或琼脂热可逆水凝胶加热熔化后，注入带有恒温加热装置的不锈钢注射器中，将注射器安装在3D打印机的卡位上固定;通过3D打印机的进料步进电机推动注射器活塞将融化的水凝胶通过打印头挤出；3D打印机的X轴、Y轴和Z轴的三只步进电机按照由设计文件生成的G代码行进，将融化的水凝胶分层打印在玻璃或聚合物底板上，得到与微流控芯片通道网络、溶液孔、反应器等结构单元相对应的水凝胶阳膜； (4)将高分子预聚物与固化剂混合得铸模溶液，所述铸模溶液是含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯预聚溶液、含固化剂的聚二甲基硅氧烷低聚物或含固化剂的环氧树脂预聚体;将铸模溶液浇在3D打印水凝胶阳模上，盖上盖板使其与水凝胶阳模间的间隙充满铸模溶液，待铸模溶液固化后脱模，得具有微流通道结构的微流控芯片基片;将所得基片与相同材质的微流控芯片盖片封装，即得聚合物微流控芯片成品。2.根据权利要求1所述的基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于步骤(I)中所述的卡拉胶水凝胶的配方:卡拉胶0.5-3%、交联剂氯化钾0.1-2%，水余量;琼脂水凝胶的配方:琼脂0.5-5%，交联剂硼砂0.1-1%，水余量。3.根据权利要求1所述的基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的设计软件选用能输出二进制STL格式设计文件的三维设计软件，包括AutoCAD、3DMAX、PROE、UG或 S0LIDW0RKS。4.根据权利要求1所述的基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的3D水凝胶打印机为商品高精度水凝胶打印机，打印头的内径为50-150微米，根据STL设计文件直接在底板上打印水凝胶阳模，而且只在有微流通道等结构单元的部位打印水凝胶;采用3D打印机打印水凝胶阳膜时，对注射器中卡拉胶水凝胶和琼脂水凝胶的加热温度分别为70-90 °C和60-80 °C。5.根据权利要求1所述的基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于步骤(4)中以3D打印水凝胶阳膜为模板的聚合物微流控芯片基片浇铸成型时，高分子预聚溶液与固化剂配成的铸模溶液夹在3D打印水凝胶阳模和盖板间，水凝胶阳模与盖板的间隙为0.25-1.0毫米并充满铸模溶液，待铸模溶液固化后脱模，即得具有微流通道等结构的微流控芯片基片。6.根据权利要求1所述的基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法，其特征在于步骤(4)中，所述含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯预聚合溶液的组分为:甲基丙烯酸甲酯，光引发剂安息香乙醚，为甲基丙烯酸甲酯质量的0.1-0.3%，偶氮二异丁腈，甲基丙烯酸甲酯质量的0.3%;将安息香乙醚、偶氮二异丁腈溶解于甲基丙烯酸甲酯中，在70-90°C的水浴中加热20-60分钟，获得含光引发剂的甲基丙烯酸甲酯预聚合溶液;所述含固化剂的聚二甲基硅氧烷低聚物铸模溶液是将商品聚二甲基硅氧烷低聚物与固化剂正硅酸乙脂和促进剂二月桂酸二丁基锡混合获得，其中正硅酸乙脂和二月桂酸二丁基锡的含量分别为5%和1-2%;所述含固化剂的环氧树脂铸模溶液采用商品双酸A环氧树脂与固化剂乙二胺混合制备，其中乙二胺的含量为8-12%。
【专利摘要】本发明属微流控芯片技术领域，具体为一种基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法。配制3D打印用卡拉胶或琼脂热可逆水凝胶，通过调节水凝胶浓度和使用交联剂，以提高其机械强度、降低其融化后的粘度和加快其被冷却后的胶凝速度。采用软件设计微流控芯片的通道网络、溶液孔、反应器等结构单元，设计文件输出给高精度水凝胶3D打印机，将水凝胶打印在底板上可得水凝胶阳模。将高分子预聚物与固化剂混合得铸模溶液，浇在阳模上，并盖上盖板，使其与阳模的间隙充满铸模溶，固化后脱模得微流控芯片基片，经与盖片封装后得微流控芯片成品。采用本方法可加工聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂等材质的聚合物微流控芯片。
【IPC分类】B33Y10/00, B33Y50/00, C08F120/14, B29C67/00, B29C33/38, B29C39/02
【公开号】CN105711017
【申请号】CN201610088589
【发明人】陈刚, 韩毓, 张剑霞, 张鲁雁
【申请人】复旦大学