3D打印液滴乳劑微流控芯片

來源：增材之光

在'利用Ninjaflex長絲3D打印一種能產(chǎn)生液滴乳劑的微流控芯片'的論文中,，來自阿肯色大學(xué)的羅伯特·安德魯斯為他的論文項目和論文打印了一種新穎的微流體系統(tǒng),。使用NinjaFlex長絲,，該過程以液滴乳劑和生物醫(yī)學(xué)（生物微機電系統(tǒng)）項目為中心,。

液滴乳劑法
該項目的另一個主要元素是開發(fā)芯片實驗室,，同時深入研究小型化（技術(shù)縮小到更小的環(huán)境中）,，具有以下優(yōu)點：
•減少必要的樣本量
•縮短實驗室流程的反應(yīng)時間
•實驗室流程的移動性更強

在芯片實驗室方案中,，規(guī)模大約為10-1000微米，但制造這種環(huán)境的許多常見工藝耗時且成本昂貴,，這就是為什么3D打印是如此具有吸引力的小型化介質(zhì)的原因,。安德魯斯指出需要合適的流體流動，這種流體流動發(fā)生在壓力梯度或柔性膜片上,，并且必須沿微流體通道流動,。

“根據(jù)隔膜的材料和厚度，需要不同的壓力和頻率才能達到一定的流速,�,！卑驳卖斔贡硎荆�“作為旁��,，這些隔膜既可用于改變微通道的寬度,，或在壓力超過某一臨界值時用作止回閥（足以使隔膜的位移等于微流體通道的直徑）�,！�

在他的論文項目中,，安德魯斯在設(shè)計微芯片的同時，也在研究打印工藝的局限性,。微流體液滴分離器將在一系列應(yīng)用中發(fā)揮作用,，包括血液監(jiān)測（用于凝塊）、食品安全化學(xué)檢測以及在藥物中發(fā)現(xiàn)新藥物,。作者還指出,，與更傳統(tǒng)的方法相比，使用NinjaFlex長絲創(chuàng)建一個系統(tǒng)是多么有益,。

“NinjaFlex長絲而不是ABS中的3D打印對于生成微流體系統(tǒng)的特定應(yīng)用具有一個固有的優(yōu)勢,。NinjaFlex長絲的楊氏模量為12 MPa,，而ABS的楊氏模量為2.05 GPa。這導(dǎo)致ABS的剛度大約是NinjaFlex的170倍,�,！卑驳卖斔箤懙馈�

“這種剛度降低有利于微流體系統(tǒng)的制造,，因為這些系統(tǒng)可能需要執(zhí)行器來彎曲,，以產(chǎn)生流體流動。在Ninjaflex中產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)所需的壓力要比在幾何相似的ABS樣品中產(chǎn)生相同的偏轉(zhuǎn)所需的壓力小得多,�,！�

通過“反復(fù)試驗”，安德魯斯能夠找到制造芯片的最佳打印參數(shù),。還有一些關(guān)于芯片設(shè)計的擔(dān)心,，關(guān)于主要的堵塞缺陷，第一次打印有點粗糙,，包括：
•打印質(zhì)量失真
•出口堵塞
•芯片太厚
•微通道或隔膜不可見

“就3D打印機本身而言,，人們注意到在這種擠出機溫度下經(jīng)常發(fā)生堵塞�,！弊髡弑硎�,， “因此，溫度升高到250攝氏度,。在擠出機溫度下,，發(fā)生堵塞的頻率要低得多。關(guān)于下一次迭代中的設(shè)計更改,，芯片頂部在零件文件中移除,，使通道可以從上面看到。微芯片的頂部不是由Ninjaflex構(gòu)成,，而是由玻璃芯片覆蓋,。”

Angled Junction Version 3芯片是第一個用于液滴乳化的芯片,，因為用綠色食品染料著色的水被過濾以確保通道沒有被堵塞,。微通道變綠了，但安德魯斯指出長絲和玻璃之間的粘合不是很好,。水從芯片中泄漏出來,，最終從基板上分離出來。

微芯片首次打印的底視圖

在繼續(xù)精煉之后,，安德魯斯能夠降低流量,，同時油側(cè)壓力保持相同的水平。隨后,，每隔一段時間就會產(chǎn)生“大小一致”的液滴,。

左側(cè)油滴形成的油側(cè)壓力為2.5磅/平方英寸,，水流速為25微升/分鐘。

“微芯片的最終設(shè)計有多種改進方法,。首先,，可以減小通道的直徑以減小液滴的尺寸。但是,，通道不能太小以致于被阻塞,。而且，隔膜可以在出口通道的任一側(cè)上實施,。通過驅(qū)動這些隔膜,，可以改變微通道尺寸，從而精確地控制液滴的尺寸,。芯片可以做得更厚，以使管接頭有更多的表面可以抓住,�,！卑驳卖斔箍偨Y(jié)道。

“實驗的總體設(shè)計也可以改進,。與使用氮氣罐作為壓力源相比,，使用注射泵可以更好地產(chǎn)生油流量。由于泵送油不需要太大的壓力,，而氮氣罐不夠精確,，無法產(chǎn)生可靠且穩(wěn)定的油流量�,！�

未來的研究和工業(yè)創(chuàng)新形式多種多樣,，但可能與我們許多人想象的不同；例如,，從小型化到流動通道小型化到連續(xù)流動反應(yīng)器,，以及用于小型化和微流體的不同材料和工藝，小型化正變得越來越普遍,。