一種通過3D列印製備分形結構微通道的方法與流程

2023-08-06 00:23:06

本發明屬於微加工領域，特別是涉及一種通過3d列印製備分形結構微通道的方法。

背景技術：

微流控技術是一門涉及化學、流體物理、微電子、新材料以及生物學和生物醫學工程的新興交叉學科，具有集成化、微型化的特徵。由於微納尺度下，流體之間的傳熱傳質效率較高且易於控制，所以微流控技術被廣泛應用於有機合成、微反應器和化學分析中。除此之外，微流控技術在生物醫學領域，如：萃取提純、病毒及細胞或大分子的分離與檢測以及疾病的快速診斷方面具有顯著的優勢。同時具有分形結構的微通道更是由於自身的自相似性以及較大的比表面積和仿生學設計可以進一步提高系統的傳熱傳質能力同時降低流體流動過程中的壓降，所以具有分形結構的微通道在生物醫學工程等領域有較大的潛在應用。

目前用於微通道製備的材料有很多，包括矽、玻璃、金屬、聚甲酸丙烯酸甲酯(pmma)、聚二甲基矽氧烷(pdms)在內各種有機無機材料。針對不同的材料和用途其加工方法也有所不同，例如矽和玻璃材料上主要通過光刻和蝕刻技術；聚合物類材料的加工則主要通過軟光蝕刻技術。除此之外，常見的微通道製備方法還有溼法蝕刻、幹法蝕刻、雷射蝕刻、機械加工、注塑加工等等。

但是基於以上加工方法的微通道製備技術，其製備工藝對襯底表面質量要求苛刻、製作工藝複雜、有的甚至需要昂貴的曝光和蝕刻設備，成本較高，成品率較低。同時，例如機械加工等方法對於直通道或者規則通道的製備較為簡單卻很難製備具有分形不規則形狀的微通道，同時傳統的製備方法也很難製備多層複雜結構微通道的製備。因此，針對複雜的分形結構微通道的製備急需發展一種簡單的、易操作的、精度較高的加工方法。從而可以在實驗室條件下低成本的批量生產具有分形結構的微通道。

技術實現要素：

鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種通過3d列印製備分形結構微通道的方法，用於解決現有技術中對複雜分形結構微通道製備的較難實現、工藝複雜、成本較高的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種通過3d列印製備分形結構微通道的方法，所述方法至少包括：

(i)由計算機繪圖軟體繪製，並由3d印表機列印出對應的分形結構骨架；

(ii)將所述分形結構骨架固定在培養皿中，並注入聚二甲基矽氧烷溶液至一定高度；

(iii)真空抽取所述聚二甲基矽氧烷溶液中的氣泡，加熱固化；

(iv)利用溶劑溶解所述分形結構骨架，形成分形結構微通道。

作為本發明通過3d列印製備分形結構微通道的方法的一種優化的方案，所述步驟1)中利用sla或fdm列印方式列印出對應的分形結構骨架，獲得的所述分形結構骨架服從murray定律。

作為本發明通過3d列印製備分形結構微通道的方法的一種優化的方案，所述分形結構骨架包括分形結構骨架主體和與所述分形結構骨架主體連接的垂直結構，所述垂直結構伸出所述聚二甲基矽氧烷溶液液面之外。

作為本發明通過3d列印製備分形結構微通道的方法的一種優化的方案，所述分形結構骨架的材料為聚乳酸、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物或者聚乙烯醇。

作為本發明通過3d列印製備分形結構微通道的方法的一種優化的方案，所述聚二甲基矽氧烷溶液為重量比10:1的基本組分和固化劑的混合液。

作為本發明通過3d列印製備分形結構微通道的方法的一種優化的方案，所述基本組分為道康寧公司生產的sylgard184矽橡膠雙組份套件產品中的a組分，所述固化劑為道康寧公司生產的sylgard184矽橡膠雙組份套件產品中的b組分。

作為本發明通過3d列印製備分形結構微通道的方法的一種優化的方案，所述步驟2)中，將所述分形結構骨架固定在所述培養皿中之後，所述分形結構骨架主體距離所述培養皿上下兩個面一定距離，注入所述聚二甲基矽氧烷溶液後，所述聚二甲基矽氧烷溶液將所述分形結構骨架主體包裹，所述垂直結構伸出所述聚二甲基矽氧烷溶液液面之外。

作為本發明通過3d列印製備分形結構微通道的方法的一種優化的方案，所述步驟3)中，通過烘箱進行加熱固化處理，加熱固化溫度80-180℃，固化時間為20-60min。

作為本發明通過3d列印製備分形結構微通道的方法的一種優化的方案，所述步驟4)中的溶劑溶解所述分形結構骨架，同時不與固化後的聚二甲基矽氧烷發生反應，所述溶劑根據所述分形結構骨架的材料選擇，為有機溶劑或者水。

作為本發明通過3d列印製備分形結構微通道的方法的一種優化的方案，所述步驟5)中，所述分形結構微通道尺寸在100～1000微米

如上所述，本發明的通過3d列印製備分形結構微通道的方法，包括：1)由計算機繪圖軟體繪製，並由3d印表機列印出對應的分形結構骨架；2)將所述分形結構骨架固定在培養皿中，並注入聚二甲基矽氧烷溶液至一定高度；3)真空抽取所述聚二甲基矽氧烷溶液中的氣泡，加熱固化；4)利用溶劑溶解所述分形結構骨架，形成分形結構微通道。本發明製備工藝簡單，無需複雜的儀器和嚴格地實驗室條件，可以快速、高效、成批量生產具有分形結構的微通道。

附圖說明

圖1為本發明通過3d列印製備分型結構微通道的流程圖。

圖2為本發明步驟1)獲得的3d列印分形結構骨架示意圖。

11.第一垂直支撐，111.第二垂直支撐，12.分形結構骨架主體。

圖3為本發明步驟2)中向固定有分形結構骨架的培養皿中加入pdms溶液的示意圖。

21.分形結構骨架連同主體與支撐，22.分形結構固定處，23.10:1配比的pdms溶液，24.培養皿。

圖4為本發明獲得的基於pdms的分形結構微通道示意圖。

31.分形結構微通道，32.固化的pdms凝膠。

圖5及圖6為本發明多層分形結構微通道的製備示意圖。

41.第一分形結構骨架支撐結構，411.第二分形結構骨架支撐，42.第一多層分形結構骨架，43.第二多層分形結構骨架，44.多層分形結構上下層連接骨架，45.多層分形結構微通道，46.固化的pdms凝膠。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。

本發明提供一種通過3d列印製備分形結構微通道的方法，如圖1所示，所述方法包括如下步驟：

首先執行步驟s1，由計算機繪圖軟體繪製，並由3d印表機列印出對應的分形結構骨架。

本步驟中，所述分形結構骨架的尺寸優先的服從murray定律，其總體尺寸根據培養皿的容積確定。列印獲得的分形結構骨架的材料應具有良好的耐熱性和一定的機械強度並能夠通過後處理被溶解掉，可以為聚乳酸(pla)、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(abs)以及聚乙烯醇(pva)等高聚物材料。列印方式也是根據不同的材料可以選擇fdm(fuseddepositionmodeling)或sla(光固化成型)列印方式。同時，所述分形結構骨架包括分形結構骨架主體和與所述分形結構骨架主體連接的垂直結構，所述垂直結構應具有一定的長度，可以伸出所述聚二甲基矽氧烷溶液液面之外。所述垂直結構可以在骨架溶解去除之後形成微通道的進出口。列印完成後的分形結構骨架應將表面支撐去除乾淨，保證骨架表面的粗糙度在允許的範圍內，防止後續製備的微通道內部粗糙度過大。

然後執行步驟s2，將所述分形結構骨架固定在培養皿中，並注入聚二甲基矽氧烷溶液(pdms溶液)至一定高度。

具體地，將所述分形結構骨架固定在所述培養皿中之後，所述分形結構骨架主體距離所述培養皿上下兩個面一定距離，注入所述聚二甲基矽氧烷溶液後，所述分形結構骨架主體應被完全包裹在pdms溶液中，與分形結構骨架主體連接的垂直結構應伸出pdms液面之外。

更具體地，所述聚二甲基矽氧烷溶液為重量比10:1的基本組分和固化劑的混合液。優選地，所述聚二甲基矽氧烷溶液為dowcorning(道康寧)公司生產的184有機矽彈性體，雙組份，按體積比10:1配比製得，即所述基本組分為道康寧公司生產的sylgard184矽橡膠雙組份套件產品中的a組分，所述固化劑為道康寧公司生產的sylgard184矽橡膠雙組份套件產品中的b組分。

接著執行步驟s3，真空抽取所述聚二甲基矽氧烷溶液中的氣泡，加熱固化。

將所述pdms溶液注入培養皿後，需要經過真空抽氣處理，排出pdms溶液內部的氣泡。具體地，將培養皿靜置於真空環境中並通過真空泵向外抽氣，使得分散在溶液中的氣泡均浮於pdms表面後除去，從而使加熱固化後形成的固體中沒有氣泡存在。經過真空處理後的pdms溶液需要經過烘箱加熱處理，使pdms溶液固化形成具有一定強度的pdms凝膠，並且溫度不宜過高，防止3d列印的分形結構骨架變形，具體的溫度可以根據微通道硬度的不同選擇合適的溫度與固化時間，作為優選的方案，可以設置固化溫度為80-180℃，固化時間為20-60min。

最後執行步驟s4，利用溶劑溶解所述分形結構骨架，形成分形結構微通道。

進行步驟s3後，將固化後的pdms凝膠連同3d列印分形結構骨架一起從培養皿中剝下，剝離過程中要保證pdms固體不受損壞。等溫度降至室溫後，使用適當的溶劑溶解所述分形結構骨架，形成所需的分形結構微通道。

所述溶劑用來溶解所述分形結構骨架，同時不與固化後形成的聚二甲基矽氧烷凝膠發生任何物理化學反應，即溶劑可以溶解3d列印材料卻不對微通道以及微通道的載體pdms凝膠產生任何影響。所述溶劑根據所述分形結構骨架的材料選擇，為有機溶劑或者水。例如，當列印的分形結構骨架為abs和pla時，可以選擇丙酮作為溶劑，當列印的分形結構骨架為pva材料時，可以選擇95℃以上的熱水作為溶劑。

形成微通道後，可以通過空氣泵入處理去除多餘物質。空氣泵需要有足夠的壓力並且能夠泵出足夠清潔的空氣，應該能夠排出微通道中由於溶劑溶解骨架後形成的雜質，並且不對微通道自身有任何損壞。

所述的微通道尺寸在100～1000微米，具體的根據實際要求和3d列印精度決定。微通道製作過程簡單、快速，可以製備多層複雜分形結構微通道，且對環境要求較低，技術難度較低。特別適合複雜分形結構微通道的批量高效生產。

下面通過兩個具體的實施例來說明本發明通過3d列印製備分形結構微通道的方法。

實施例一

請參閱圖2至圖4，本實施例提供了一種通過3d列印製備單層分形結構微通道的方法，所述通過3d列印製備分形結構的微通道的過程如下：首先利用計算機繪製出單層楔形分形結構骨架。如圖2所示，所涉及的分形結構骨架其厚度為1mm，分形結構由2級分叉，5個不同長度的骨架組成，長度分別為20mm，15.8mm，12.5mm，9.9mm，7.9mm，寬度均為1mm。在骨架兩端，長度為20mm的一根分支上遠離骨架中心的第一終端上連接有與分形結構骨架主體12所在平面相垂直的第一垂直支撐11，其長度為50mm，並且一端連接在所述分形結構骨架上。在與第一終端對應的第二終端上，連接有第二垂直支撐111，其長度為50mm，伸長方向與所述第一垂直支撐11一致。

將所述分形結構骨架主體連同所述第一垂直支撐和第二垂直支撐圖紙，通過.stl文件格式導入magics19.0中進行切片分析。並使用fdm印表機列印出3d列印分形結構骨架，列印材料為abs。列印完成，將所述3d列印結構骨架取出，去除表面3d列印支撐件，並對表面進行拋光。

將所述3d列印分形結構骨架材料固定在培養皿24中，培養皿24尺寸優選的為直徑為100mm，高度為20mm。將3d列印的分形結構骨架固定在所述培養皿24中，如圖3所示，優選的所述3d列印的分形結構骨架主體上表面距離培養皿上平面9mm，下表面距離培養皿底面9mm，所述第一垂直支撐距離培養皿內壁面距離為9.9mm，所述第二垂直支撐距離培養皿內壁面距離也為9.9mm。

向所述培養皿24中添加pdms溶液23，所述pdms溶液23優選的選擇dowcorning公司生產的184有機矽彈性體，雙組份比例為10:1混合均勻。所述pdms溶液用量為倒入培養皿後距離培養皿上邊緣1mm處，靜置。

將所述培養皿24連同pdms溶液23、3d列印分形結構骨架置於真空機器中，抽真空。抽空時間為10min，優選的使pdms溶液中氣泡全部排出。繼而取出所述pdms溶液，放置於烘箱中，烘箱溫度設置120℃，加熱時間設定20min。

將所述分形結構微通道製備裝置取出，冷卻至室溫。pdms經加熱後變成固體凝膠，將所述pdms固體連帶3d列印abs材料分形結構骨架一起從培養皿中剝離。此時，3d列印分形結構骨架被pdms固體所包裹，所述第一垂直支撐與所述第二垂直支撐均有部分被pdms包裹。

將所述psms固體連帶3d列印abs材料分形結構骨架一起放置於大燒杯中，向所述大燒杯中添加丙酮試劑，至所述3d列印abs材料分形結構骨架完全溶解形成相應的楔形分形結構微通道31，取出所述pdms固體32。

將所述pdms固體清水洗滌，並利用空氣泵吹淨微通道內多餘的物質，使得所製備的微通道內表面較為光滑，製得具有楔形分形結構的微通道31，如圖4所示。

實施例二

請參閱圖5和圖6，本實施例提供了一種多層分形結構微通道的製備方法，所述多層結構微通道的製備方法包括：3d列印雙層分形結構骨架，所述雙層分形結構骨架通過計算機繪製得到。如圖5所示，優選的，其由7級分支組成，呈「h型」結構，其長度分別為：50mm、38.7mm、31.7mm、25.2mm、20mm、15.9mm、12.6mm，寬度分別為3mm、2.38mm、1.89mm、1.50mm、1.19mm、0.94mm、0.75mm，厚度均為1mm。

所述的雙層分形結構骨架包括第一「h型」分形骨架平面42和第二「h型」分形骨架平面43，兩個分形平面之間通過垂直連接骨架44進行連接，垂直連接骨架44的長度為2mm。所述括第一「h型」分形骨架平面42，其長度為50mm的主幹遠離分形結構骨架中心的一端連接有與第一「h型」分形骨架平面42相垂直的第一垂直支撐結構41，其為直徑3mm，高度為25mm的圓柱體，伸長方向為遠離所述第二「h型」分形骨架平面43。在所述第二「h型」分形骨架平面43，其長度為50mm的主幹遠離分形結構骨架中心的一端連接有與第二「h型」分形骨架平面43相垂直的第二垂直支撐結構411，其為直徑3mm，長度3mm的圓柱。其伸長方向與所述第一垂直支撐結構41相反。

作為示例，如實施例一中所述，所述雙層「h型」使用abs材料通過fdm方式列印及後處理，具體方式請參閱具體實施例一中所述，此處不再贅述。將所列印好的雙層「h型」分形結構骨架放置於培養皿中，使所述第二垂直支撐411觸碰到培養皿底面。將所述第一垂直支撐41固定在培養皿上表面。

作為示例，如具體實施例一中所述，向所述培養皿中添加配比10：1的pdms溶液，後續抽真空加熱工序均可參照具體實施例一中所述，此處不再累贅。

作為示例，將固化後的pdms連同3d列印雙層分形結構骨架一起從培養皿中剝離。確認所述第二垂直支撐411是否露出所述pdms固體底面所覆蓋，如未露出則需要使用刮刀等工具將所述第二垂直支撐411底面對面位置削去使得所述第二垂直支撐411與外界想通。

作為示例，如具體實施例一中所述，將所述pdms固體放置於大燒杯中，添加丙酮使得3d列印abs材料雙層分形結構骨架連帶垂直連接骨架44、所述第一垂直支撐41、第二垂直支撐411溶解形成雙層分形結構微通道45。

作為示例，如具體實施例一中所述，將所述雙層分形結構微通道進行空氣泵去除多於物質處理，具體方法請參考具體實施例一所述。形成雙層分形結構微通道45以及pdms固體，如圖6所示。

綜上所述，本發明提供一種通過3d列印製備分形結構微通道的方法，所述通過3d列印製備分形結構微通道的製備方法包括：通過計算機繪製所需的微通道形狀，並通過適當的3d列印方式製造出對應的分形結構骨架。將所述具有分形結構的骨架固定在所述培養皿中，並向所述培養皿中添加配比為10:1的pdms溶液，經過靜置、真空抽氣、加熱等工序使所述pdms溶液發生固化。將所述固化後的pdms固體連帶3d列印分形結構骨架一起放置於大燒杯中，向所述大燒杯中加入適當的溶劑使3d列印分形結構骨架溶解形成相應的具有分形結構的微通道，並通過空氣泵等工序去除微通道中多餘雜質形成所需的基於pdms的分形結構微通道。

本發明提出的一種通過3d列印製備分形結構微通道的方法，可以與微流控技術相結合，為複雜結構微通道的製備提供一種快速、高效的製備方法。不需要複雜的儀器與苛刻的實驗條件，本發明所提供的方法可以成批量、低成本的生產具有分形結構的微通道。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。