研究人員利用3D列印為微流體技術打開了新的大門

2020-09-04 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：

在工程學中兩個最熱門的領域相交的地方，蒙大拿州立大學的研究人員在字面上取得了很小的突破，但是這一突破可能對廣泛的應用產生巨大影響。

增材製造（AM）成為製造流體設備的一種越來越可行的選擇。諸如立體光刻（SLA）和數字光處理（DLP）之類的還原聚合印刷（VPP）由於具有高解析度，因此是創建3D列印微流體的流行技術。3D列印可在計算機輔助設計（CAD）軟體中一步創建高通量的流體設備，並直接進行設備參數調整。只需共享設計文件，就可以在不同的設施中分發和複製設計和設備。在本文中，由來自美國蒙大拿州立大學Stephan Warnat助理教授領導的研究團隊展示了玻璃上的微型傳感器與高解析度3D列印技術的集成，這種利用3D列印技術製造微流體設備的新方法包括操縱非常小體積的液體進行測量水質或者研究微生物等等。

玻璃基板是使用高解析度印刷技術（例如上述VPP或材料噴射）創建光學透明通道的可行方法，但是傳感器集成通常需要多步集成過程。在該研究中，基於玻璃的阻抗電導率傳感器直接與3D列印流動通道集成在一起，作為概念驗證設備。該設備顯示出可以同時用作電導率傳感器和細菌細胞檢測器。這是通過在不使用DLP樹脂印表機的基底層的情況下，直接在帶有圖案化電極的玻璃基板上進行列印來實現的。

微流體裝置內的光學透明表面對於準確定量化學、生物學和機械相互作用至關重要。但是，儘管與傳統技術相比3D列印微流體樣機具有製造靈活性，3D列印樹脂也會由於表面粗糙度和缺陷而產生半透明的通道。儘管理論上使用透明樹脂可以創建透明設備，但固有的表面缺陷會導致光擴散，從而形成半透明通道。

圖片來源於網絡

Warnat和他的團隊使用新方法演示了他們可以在玻璃上直接進行3D列印，以形成包含液體的細通道（寬不到1毫米）。新工藝大大減少了製造時間，並使研究人員能夠在他們的實驗室中輕鬆生產出價格合理的定製設備原型——微流控晶片。Warnat表示從生產開始到最終測試，整個轉變可能需要一天的時間。他估計使用新方法製造典型晶片的材料成本約為1美元。

本工作中使用的微加工傳感器的圖像

Michael Neubauer是蒙大拿州立大學的一名研究生，他與Warna合著了這篇文章，他利用蒙大拿微製造工廠製造了金屬傳感器，他形容這些傳感器看起來像是可以測量電流變化的聯鎖手指，以檢測水中的某些礦物質。

Warnat本人計劃利用這項新技術，進一步開發新的、更廉價的微型傳感器，用於測量河流和土壤中的水質。他的項目是MSU獲得5萬美元「種子」資助的三個項目之一，該資助是去年通過環境水系統研究聯合會(CREWS)授予的，該聯合會在2019年早些時候從國家科學基金會獲得了2000萬美元。克魯斯研究種子獎勵計劃旨在資助創新研究在蒙大拿州的高等教育機構中建立研究能力。

MSU生物膜工程中心的其他MSU研究人員表示有興趣將這種新技術用於各種涉及微生物的研究項目。一直與沃納特團隊合作的化學與生物工程系教授克裡斯汀福爾曼(Christine Foreman)表示:「這些傳感器成本低、體積小，非常適合在需要在多個地點進行大量測量的環境和工業應用中使用。」

機械和工業工程部門的負責人丹·米勒說：「將這項技術應用於眾多學科的研究確實有很多機會。未來的研究正在這些跨學科團隊中進行，因此，Warnat處於領先地位。」

Stephan Warnat（左）和博士生Michael Neubauer在他們的實驗室中研究帶有嵌入式傳感器的3D列印微流體晶片。圖片來源：Adrian Sanchez-Gonzalez

Warnat表示生物膜工程中心的協作性質，加上蒙大納州微製造設施的功能，有助於激發和支持3D列印技術的發展。並且對這一成就的反應也非常令人鼓舞。

本文來源：DOI: 10.1088/2631-8695/ab5e9f

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