[發明專利]一種基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法

有效

• 申請號: 201610088589.4
• 申請日: 2016-02-17
• 公開（公告）號: CN105711017B
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發明（設計）人: 陳剛;韓毓;張劍霞;張魯雁
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: B29C39/02
• 分類號: B29C39/02;B29C33/38;B29C64/10;B29C64/386;B33Y10/00;B33Y50/00;C08F120/14
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

本發明屬微流控芯片技術領域，具體為一種基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法。配制3D打印用卡拉膠或瓊脂熱可逆水凝膠，通過調節水凝膠濃度和使用交聯劑，以提高其機械強度、降低其融化后的粘度和加快其被冷卻后的膠凝速度。采用軟件設計微流控芯片的通道網絡、溶液孔、反應器等結構單元，設計文件輸出給高精度水凝膠3D打印機，將水凝膠打印在底板上可得水凝膠陽模。將高分子預聚物與固化劑混合得鑄模溶液，澆在陽模上，并蓋上蓋板，使其與陽模的間隙充滿鑄模溶，固化后脫模得微流控芯片基片，經與蓋片封裝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、環氧樹脂等材質的聚合物微流控芯片。

技術領域

本發明屬微流控芯片技術領域，具體涉及一種基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法。

背景技術

微流控芯片主要使用玻璃、石英和聚合物制作[1]，其中玻璃和石英微流控芯片通常采用光刻與化學刻蝕相結合的方法加工，技術和設備要求高，難以采用模具大批量生產，價格比較昂貴，限制了其廣泛應用。于是，近年來聚合物微流控芯片得到了發展和重視，可使用模具通過注塑、印模和澆鑄等技術低成本批量生產[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兩種較常用的材料。聚合物微流控芯片由于可批量低成本加工，在生物醫藥分析、環境監測、食品藥品分析和臨床診斷等方面具有廣闊的應用前景。

聚二甲基硅氧烷微流控芯片的加工通常采用澆鑄法，即將商品預聚體與交聯固化劑混合后，通過模具澆鑄而成，工藝比較成熟。熱塑性聚合物微流控芯片的加工技術有熱壓[4]、注塑[5]、激光燒蝕[6]等，其中熱壓技術目前使用較多，硅陽模或金屬陽模采用微機電加工技術制作。熱壓對芯片模具的機械強度要求較高，硅模具易碎，通常熱壓次數不超過50次[7]，需采用微機電加工技術和設備，制作成本高，步驟繁多，且每片陽模需單獨加工。特別在澆鑄法制備聚合物微流控芯片時，硅和金屬與成形的聚合物微流控芯片間作用力較大，脫模十分困難，經常造成模具和芯片的損壞。于是，使用廉價材料加工能批量低成本生產的陽模具有重要的實際意義。

高分子水凝膠主要以天然高分子材料（如瓊脂、卡拉膠、明膠等）和人工合成高分子材料（如聚乙烯醇等）為載體，含有大量的水分，具有成本低廉和容易加工的特點，廢棄后可在環境中自然降解，將其用于微流控芯片的加工，可以大幅度降低芯片加工成本。

3D打印是近年來高速發展的一種數字化快速成型技術。按照打印成型原理，較為成熟且具備實際應用前景的有5種，包括熔融堆積成型（FDM）、立體光固化成型（SLA）、分層實體制造（LOM）、三維粉末粘接（3DP）和選擇性激光燒結（SLS）。目前，市面上銷售的多是熔融堆積成型（FDM）3D打印機，主要以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）和聚乳酸（PLA）作為打印材料。于是，我們想到采用FDM技術3D打印融化水凝膠以制備廉價的微流控芯片水凝膠陽模，以簡化芯片加工流程，并采用澆鑄法復制聚合物微流控芯片。但經查閱國內外文獻，尚未發現有使用3D打印水凝膠陽模加工聚合物微流控芯片的報道。本發明建立了一種基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，無需使用昂貴的光刻和微加工技術和設備，具有工藝簡單和成本低廉的優點，在聚合物微流控芯片的批量低成本加工領域有良好的應用前景。

參考文獻

[1]Ren KN, Zhou JH, Wu, HK. Accounts of Chemical Research, 2013, 46(11): 2396-2406.

[2]Xu BB, Zhang YL, Xia H, Sun HB. Lab on A Chip, 2013, 13(9): 1677-1690.

[3]Chen Y, Zhang LY, Chen G. Electrophoresis, 2008, 29(9): 1801-1814.