曲面甚至皮膚上的微流道電子器件與傳感器3D列印技術

研究人員開發曲面甚至皮膚上的3D列印微流道電子器件與傳感器技術

導讀：通過軟光刻技術製造的微流控設備已被證明具有引人注目的應用，例如晶片實驗室診斷，DNA微陣列和基於細胞的檢測。通過將微流控技術與電子傳感器和曲線基板直接集成，以及提高自動化程度以提高生產率，可以進一步開發這些技術。當前的增材製造方法，例如立體平板印刷術和多噴射印刷，傾向於在印刷過程中用未固化的樹脂或支撐材料汙染基板。

本文作者提出了一種印刷方法，該方法基於精確地將粘彈性油墨擠出到自支撐的微通道和腔室中而無需犧牲材料的情況。結果證明，在亞毫米範圍內，擠壓後的有機矽油墨的屈服強度足以防止在特定角度範圍內發生蠕變。列印工具路徑經過專門設計，可實現通道和腔室，T形交叉點和重疊通道之間的無洩漏連接。自支撐微流體結構可實現多功能設備的自動化製造，包括多材料混合器，集成有微流體的傳感器，自動化組件和3D微流體。

明尼蘇達大學的研究人員是第一個在曲面上進行3D列印的微流體通道的方法，它提供了第一步，有朝一日可以將它們直接列印在皮膚上，以便實時檢測體液。

在一項具有開創性的新研究中，明尼蘇達大學的研究人員與美國陸軍作戰能力發展司令部士兵中心合作，以微米級尺寸進行了3D列印的獨特流體通道，可以自動生成所使用的診斷，傳感器和化驗。適用於各種醫學測試和其他應用。

該團隊是第一個在曲面上進行3D列印的結構，提供了第一步，有朝一日可以將它們直接列印在皮膚上，以實時檢測體液。該研究發表在《Science Advances》上。

微流體技術是一個快速發展的領域，涉及控制微米級（百萬分之一米）的流體流動。微流體技術在廣泛的應用領域中使用，包括環境感應，醫學診斷（例如COVID-19和癌症），妊娠試驗，藥物篩查和遞送以及其他生物測定。

目前，全球微流體市場價值估計為數十億美元。微流體設備通常使用稱為光刻的複雜，多步驟技術在可控環境的潔淨室中製造。該製造過程涉及矽酮液體，該矽酮液體流過圖案化的表面，然後固化，以使圖案在固化的矽酮平板中形成通道。

在這項新研究中，使用3D列印在單個步驟中創建了微流體通道。該團隊使用定製的3D印表機在開放實驗室環境中直接在表面上列印微流體通道。這些通道的直徑約為300微米-約為人類頭髮大小的三倍。研究小組表明，可以使用一系列閥門控制，泵送和重新引導通過通道的流體。

3D列印的自支撐微流結構。

3D列印的多材料微流體混合器。混合器的三步印刷程序。設計了連續的刀具路徑，以最大程度地減少墨水擠出中斷，並實現通道之間的無洩漏連接。

集成了微流控的鹽度傳感器，包括微製造的傳感器陣列和3D列印的通道和腔室。

3D列印的微流體閥，泵和球形微流體網絡。(圖片來源：明尼蘇達大學的蘇瑞濤)

（A）示意圖顯示了3D列印的微流體閥的配置。（B）顯示3D列印微流體閥打開和關閉狀態的照片。以100kPa的壓力關閉閥。比例尺，3毫米。（C）在變化的壓力下對3D列印微流體閥的關閉壓力測試。（D）微流泵的流量測試。用標準蠕動代碼001、100和010驅動泵，其中1和0分別表示打開和關閉狀態。插圖顯示帶有兩個儲液罐的3D列印微流體泵。比例尺，5毫米。圖片來源：明尼蘇達大學的蘇瑞濤。（E）帶有集成閥的3D列印球形會聚和蛇形微流體通道。圖像顯示了閥1和2的三種組合操作狀態。比例尺為10 mm。圖片來源：明尼蘇達大學的蘇瑞濤。（F）球形微流體通道的細絲堆積方案。（a）至（c）展示了三個通道橫截面的設計和印刷輪廓。添加了間隔絲，以防止球體中心遠側的不對稱通道塌陷。

技術成果：

這項工作提出了一種基於擠壓的3D列印方法，該方法可使用一鍵式的乙醯氧基矽酮自動製造自支撐的彈性體結構。印刷後的矽樹脂壁的機械平衡狀態使得能夠印刷中空的微流體通道和腔室，而無需在亞毫米範圍內使用支撐材料。通道寬度低至100μm。儘管由於是單壁結構，彈性體通道的破裂壓力相對較低，但它仍比大多數微流體應用中驅動水流所需的典型壓力高至少一個數量級。

此外，通過專門設計的連續列印工具路徑，實現了包括T形交叉點，通道與腔室之間的連接以及重疊通道在內的無洩漏微流體成分，這有助於與預先沉積的3D結構和電子傳感器進行簡潔的集成。通過這種方法，創建了多材料微流體混合器，並使用CFD模擬和共聚焦顯微鏡成像驗證了混合效果。通過將串行連接的通道和腔室直接列印到微製造的鹽度傳感器上，從而製造了微流集成傳感器晶片，從而實現了基於自上而下的基於光刻的微加工與自下而上的通過3D列印的微流體圖案之間的混合平臺。值得注意的是，將與閥集成的3D微流體網絡直接列印到球形表面上，並成功控制了匯合和蛇形通道中的流量。隨著進一步的研究，此方法可以擴展到自由曲面，例如直接用於3D列印生理傳感器的人皮膚。

在未來的工作中，將進一步增強和擴展3D列印微流體設備的性能和功能。例如，（i）通過選擇較小的噴嘴和調整列印參數可以實現較高的通道解析度；（ii）可通過多層印刷增加破裂壓力，以滿足某些應用的壓力要求；（iii）傳感陣列可以在3D印表機上單獨進行功能化，併集成在微流傳感器中，以進行多重生化傳感；（iv）對於涉及快速傳熱和細胞粘附等問題的應用，可以研究控制壁面粗糙度的方法；（v）可以進行大規模集成，自動化和多功能流體處理，以進行自動診斷分析。總體而言，基於擠壓的3D列印在此得到了展示，它是製造常規和下一代多功能微流體結構和設備的多功能工具。

應用展望：

明尼蘇達大學的研究人員是第一個在曲面上進行3D列印的微流體通道的方法，它提供了第一步，有朝一日可以將它們直接列印在皮膚上，以便實時檢測體液。

在潔淨室設置之外列印這些微流體通道可以在生產這些設備時提供基於機器人的自動化和便攜性。研究人員還首次能夠將微流體直接列印在曲面上。此外，他們將它們與電子傳感器集成在一起，以實現片上實驗室的傳感功能。

明尼蘇達大學機械工程學教授，這項研究的高級研究員麥可·麥克阿爾平說："這項新的努力為微流體裝置開闢了許多未來的可能性。" "能夠在無塵室中進行3D列印的設備意味著診斷工具可以由醫生直接在其辦公室列印，也可以由野外士兵遠程列印。"

但是未來更具吸引力。"能夠在彎曲的表面上進行列印也為設備提供了許多新的可能性和用途，包括直接在皮膚上列印微流體以實時檢測體液和功能"。