本发明涉及一种制作三维微流控芯片的方法，属于微流控技术领域。
背景技术：
微流控技术(Microfluidics)将生物、化学实验室功能集成到一枚数厘米尺寸的芯片上，可有效实现分析、检测、反应等多种功能的微型化、自动化、集成化和便携化。现已成为一个生物、化学、医学、电子、机械和材料等多个学科交叉的崭新研究领域。
微流控芯片是微流控技术实现的重要平台，微流控芯片的主要特征是其内部的微通道、反应室、捕获腔等结构尺寸都在微米级。其比表面积的增加使得流体在微米尺度下会显示出区别于宏观尺度下的物理特性。主要表现为高效率的传热-传质性能、粘性力占主导以及更大的表面能。这些新特性推动了微流控芯片在疾病诊断、细胞研究、药物筛选、环境监测、绿色能源和材料合成等领域的广泛应用。其中，具有三维微通道结构的微流控芯片更是由于其表现出的高混合效率而成为微化工等相关领域所关注的焦点。
目前微流控芯片的制作方法主要是利用模塑法，即光刻方法制作出一面带有微纳米尺寸微通道的凸模基底，再在上面浇筑易固化的并使其固化，脱模以后再在带有凹槽的一面盖上同样的高分子材料基底并键合。该方法能够多次快速复制微通道结构，但该方法有许多不足：
(1)只能制作平面结构的微通道，想要制作三维结构只能通过层层平面结构的叠加来实现，稍微复杂的结构便难以实现；
(2)基底的加工步骤复杂、价格昂贵。研究人员和工程师在多数情况下需要通过不断进行实验和修改设计方案才能得到能实现所需功能的微流控芯片结构，多次的基底加工将花费大量的成本。
为了解决现有制作方法的不足，近年来许多专业人员提出了不同的解决方案。申请号为CN201610258525.4的中国发明专利申请公开了一种多层薄膜贴合的三维微流控芯片制作方法，该方法采用分层构造的方式，依次在薄膜上加工出每层的微流道结构。再按照切片顺序在芯片底面上进行贴合，制成三维薄膜微流控芯片。制作的三维微流控芯片具有加工过程灵活、材料成本低、无需芯片键合设备等特点。但是依次贴片使得该方法工艺繁琐，生产效率较低，且实施起来难度较大。
申请号为CN201310203688.9的中国发明专利申请公开了一种聚合物微流控芯片的制备方法。其特征在于该微流控芯片是使用高分子聚合物为原材料，采用3D立体打印技术制备而成。具体的制作步骤包括：1)使用计算机辅助设计软件设计和绘制微流控芯片的三维立体结构模型；2)选择聚合物材料，使用3D打印机直接加工出微流控芯片；3)成型后处理。本发明中提出的基于3D打印技术的聚合物微流控芯片的制备方法，具有加工成本低廉、速度快、周期短、一次成型。然而3D打印的材料往往不具透明性，且微观下表面相对粗糙，不利于对内部流体的流动进行实验观测。
技术实现要素：
基于目前的背景，为了简化现有三维微流控芯片的制作工艺，降低其制作成本，制作出具有复杂结构、低表面粗糙度的三维微流控芯片。本发明选用水溶性材料，基于3D打印技术加工出微流控芯片内部三维流道的中空模型；通过蘸水并迅速烘干处理，降低中空模型的外表面粗糙度；再对聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行二次浇筑，待固化后，切除中空结构出、入口的预留封边，利用热水浴使水溶性材料溶解，得到具有三维通道结构、光滑内壁面的微流控芯片。本发明提供的制作方法同时具有实施难度低，步骤简单，成本低廉等优点，制作的三维微流控芯片可具有高度复杂的三维结构，其内表面粗糙度低，可视化程度高。
本发明提供了一种制作三维微流控芯片的方法，包括以下步骤：
步骤(1)：利用三维绘图软件绘制微流控芯片内部流道的三维模型；
步骤(2)：对三维模型进行3D打印，得到微流控芯片内部流道的3D打印模型，3D打印模型的微流控芯片内部流道设有出入口预留部分；
步骤(3)：调配聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂的混合液；
步骤(4)：将混合液倒入培养皿，再往培养皿放入微流控芯片内部流道的3D打印模型打印模型；
步骤(5)：把培养皿放入烘箱，待第一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)加热固化；
步骤(6)：取出培养皿并倒入第二层聚二甲基硅氧烷(PDMS)，后放入烘箱待第二层聚二甲基硅氧烷(PDMS)加热固化；
步骤(7)：取出步培养皿中已经固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，切除3D打印模型的出入口预留部分；
步骤(8)：将步骤(7)所述的切除后的聚二甲基硅氧烷(PDMS)浸没在热水浴中，待3D打印材料溶解；
步骤(9)：将3D打印材料溶解后的聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片烘干，得到三维微流控芯片。
为了更详尽地描述本发明所提供的方法，使得本领域普通技术人员能够顺利实施本方法并得到本发明中所叙述的效果，下面对上述每个步骤作进一步的说明：
所述步骤(1)中，按照需求，设计建立微流控芯片内部流道的三维模型采用Solidworks、Creo或Inventor等商业计算机辅助设计软件绘制。所绘制的三维模型具有内部中空的特征，内部中空有利于步骤(8)中的热水浴的水流进入，加快3D打印材料的溶解速率；
所绘制三维模型具有出、入口封闭的特征，该特征有利于防止步骤(4)中聚二甲基硅氧烷(PDMS)流入三维模型内部的中空区域；所绘制流道三维模型具有预留多余出、入口长度的特征，有利于避免步骤(7)过程中切除内部流道的设计部分；所绘制流道三维模型的通道和局部结构不应具有过小的尺寸，三维模型中各结构的最小尺寸大于250微米，根据3D打印精度适当提高或降低最小尺寸，使各结构尺寸误差保持在设计值的10％以内，以避免尺寸误差影响芯片的设计效果。
步骤(2)中，对三维模型进行3D打印采用现有成熟技术，使用具备25微米或更高打印精度的3D打印机。3D打印所选的耗材具有水溶性的特征，该特征有利于步骤(8)将3D打印材料在热水浴中溶解，使用聚乙烯醇(PVA)材料；3D打印完成以后需将3D打印模型在冷水中轻蘸，并迅速烘干，由于3D打印模型表面粗糙主要是由表面亚微米尺度的小台阶引起的，这些小台阶具有较大的比表面积，接触水分发生溶解后使其发生钝化，降低表面粗糙度，而水温越低，溶解速率越低，冷水可以仅使得具有较大比表面积的小台阶发生溶解变形而不影响3D打印模型的整体设计尺寸，使用小于等于10摄氏度的蒸馏水。
步骤(3)中，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂按10：1的比例混合。混合液在倒入步骤(4)培养皿后液面高度高于步骤(2)所述的3D打印模型。
步骤(4)中，当先往培养皿中倒入较薄一层的步骤(3)所述混合液，再将步骤(2)所述3D打印模型放入盛有混合液的培养皿。当步骤(2)所述3D打印模型受到的浮力和重力相等时，其有一部分会浸没在混合液中。3D打印模型与培养皿的底部不接触，若触底必须适当倒入步骤(3)所述混合液，使步骤(2)所述3D打印模型悬浮于倒入培养皿的步骤(3)所述混合液中。
步骤(5)中，所述烘箱已有成熟的技术，采用现有的商业产品。加热时间设为30分钟，温度为恒温80摄氏度。
步骤(6)中，所述烘箱已有成熟的技术，采用现有的商业产品。加热时间设为30分钟，温度为恒温80摄氏度。由于步骤(4)中3D打印模型的一部分已经浸没在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中，又经过步骤(5)中发生固化，因此当再次倒入聚二甲基硅氧烷(PDMS)时3D打印模型已被固定，不会发生上浮，第二层的聚二甲基硅氧烷(PDMS)必须完全浸没3D打印模型，第二层聚二甲基硅氧烷(PDMS)液面高于3D打印模型4mm，以保证微流控芯片工作时不会因壁面过薄而发生较大变形，影响设计效果。
所述步骤(8)中，热水浴浸没经步骤(7)处理所得到聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片，使得水溶性打印材料聚乙烯醇(PVA)完全接触热水；水温设置为大于等于95摄氏度，，以保证水溶性打印材料聚乙烯醇(PVA)完全溶解。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明提供一种制作三维微流控芯片的方法，该方法能够实现内部具有高度复杂结构的微流控芯片的制作，精度高，尺寸形状可控。相较于现有基于3D打印技术制作的微流控芯片而言，其通道内表面粗糙度低，进行实验时可实现高度的可视化；
2、本发明提供一种制作三维微流控芯片的方法，制作过程简便快捷，实施难度低，制作效率高，且不需要表面键合等后处理工艺，可提高本专业科研人员和工程师所设计微流控芯片的迭代速度；
3、本发明提供一种制作三维微流控芯片的方法，所选材料价格低廉，能够有效降低微流控芯片的制作成本。相对于模塑法等相对昂贵的加工方式，本发明提出的方法亦可以作为本专业科研人员和工程师廉价的设计试样，用于测试所设计微流控芯片的效果，该益处有利于促进微流控芯片产品的迭代更新。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施中的技术方案，下面对实施例中所需适用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例而不是全部实施例，相关领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他类似特征的设计方案和设计方案附图。
图1是本发明一种制作三维微流控芯片的方法实施步骤流程图；
图2是本发明一种制作三维微流控芯片的方法实施例中微流控芯片流道的三维模型图；
图3是本发明一种制作三维微流控芯片的方法实施例中流道3D打印模型一部分结构浸没在第一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的示意图；
图4是本发明一种制作三维微流控芯片的方法实施例中切除预留封边后的内嵌空心打印材料聚乙烯醇(PVA)的微流控芯片示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结果以及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的，特征以及效果。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例而不是全部实施例，相关领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，以及具有类似特征组合的发明设计，均属于本发明的保护范围。本发明创造中的各个技术特征，在不相互矛盾冲突的前提下可以和其他创造性特征交互组合。
为了更详尽地描述本发明所提供的方法，使得本专业普通技术人员能够顺利实施本方法并得到本发明中所叙述的效果，下面实施例中所提及的附图已放大必要的特征细节，显然，实际微流控芯片产品中各尺寸都是非常小的。
实施例1：
1)使用商业计算机辅助设计软件Solidworks绘制具有内部中空特征的微流控芯片内部流道的三维模型，且三维模型设有出入口预留部分用于后续切除，模型如图2所示。该流道模型为呈螺旋线状，可用于微混合操作，相比平面结构可具有更高的混合效率；
2)使用3D打印机，装上聚乙烯醇(PVA)耗材，将三维模型导入3D打印机，得到聚乙烯醇(PVA)材料的3D打印模型。打开烘箱，设置为80摄氏度，预热20分钟。3D打印完成以后把聚乙烯醇(PVA)3D打印模型放在10摄氏度冷水中轻蘸，并迅速放入预热好的烘箱烘干，烘箱温度设为45摄氏度；
3)按照质量为10：1的比例，调配聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂的混合液，将混合液倒入培养皿，液面高度为4mm，再往培养皿放入3D打印模型。当所受浮力等于所受重力时，3D打印模型将有一定下沉，如图3所示。将培养皿放入烘箱，设置为80摄氏度，等待30分钟，待第一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)加热固化；
4)取出培养皿并倒入第二层聚二甲基硅氧烷(PDMS)，倒入后液面高于3D打印模型最高点5mm。后把培养皿再次放入烘箱加热30分钟，温度为恒温80摄氏度，待第二层聚二甲基硅氧烷(PDMS)加热固化；
5)取出培养皿，取出培养皿中固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，切除3D打印模型出入口预留部分，即切除出入口位置的聚乙烯醇(PVA)封边，如图4所示，将切除预留部分后的聚二甲基硅氧烷(PDMS)浸没在95摄氏度热水浴中，等待1小时，随后用镊子夹住聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片在热水中振荡，直至打印材料完全溶解。将打印材料溶解后的聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片烘干，得到三维微流控芯片。
以上对本发明较佳的实施方式进行了具体说明。需要强调的是，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或者替换，这些具有类似特征的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。