弗萊堡大學雙光子聚合3D打印技術(shù)取得新突破，可打印高精密鎢結(jié)構(gòu)和微流控芯片

2023年11月25日，南極熊獲悉，德國弗萊堡大學 NeptunLab 的科學家們在雙光子聚合 (2PP) 3D 打印技術(shù)取得新的突破。該團隊在曾在 2021 年以驚人的亞微米分辨率成功打印了復(fù)雜鉑金屬 3D 微結(jié)構(gòu)。今年，NeptunLab團隊成功以前所未有的速度生產(chǎn)了類似的鎢金屬結(jié)構(gòu)以及具有單微米分辨率的嵌入式微流控芯片。在這三篇論文中，首席科學家 Manuel Luitz 使用了UpNano GmbH 的 NanoOne 2PP 3D 打印機。與此同時，在成功招募 Luitz 加入 UpNano 后，NeptunLab公司將繼續(xù)開發(fā)2PP技術(shù)。

△Manuel Luitz，UpNano 應(yīng)用和材料開發(fā)團隊的高級成員。

高分辨率 2PP 3D 打印更廣泛應(yīng)用的兩個主要限制是打印速度和必要光聚合的可用材料。現(xiàn)在，曼努埃爾·路易斯 (Manuel Luitz) 在弗萊堡大學工藝技術(shù)實驗室 (NeptunLab) 工作期間，經(jīng)過數(shù)年的努力，顯著減少了這些限制。這項工作的結(jié)果已連續(xù)發(fā)表在三篇論文中，最新一篇論文題為“Fabrication of Embedded Microfluidic Chips with Single MicronResolution Using Two-Photon Lithography”，被發(fā)表在《先進材料技術(shù)》雜志上。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.202300667

△使用 NanoOne 2PP 3D 打印機的單微米嵌入式微流控芯片。

芯片通道清理

在這一最新進展中，Luitz 及其同事定義了使用 NanoOne 打印機的單微米嵌入式微流控芯片的開發(fā)方案。利用打印機的能力，研究團隊能夠打印出一個芯片，該芯片可以通過外界接口連接到壓力驅(qū)動泵。Manuel Luitz 說道：“這是微流控芯片制造領(lǐng)域的一項突破，因為高分辨率 3D 打印微流控芯片的主要障礙之一是清洗嵌入通道中的未固化材料。這使得生產(chǎn)通道長度長達20 厘米的曲折芯片、液滴發(fā)生器芯片以及基于確定性橫向位移、柱直徑為 30 μm、柱間距為 4 μm 的細胞分選芯片成為可能。因此，使用 NanoOne 可在不到 12 小時的合理時間范圍內(nèi)打印具有厘米尺寸和微米分辨率的微流控芯片。”

△首次使用 NanoOne 2PP 3D 打印機制作由鎢（碳化物）制成的微結(jié)構(gòu)。ManuelLuitz 等人打印的聚合物結(jié)構(gòu)（左），清理后的結(jié)構(gòu)（中），碳化鎢結(jié)構(gòu)（右）

鎢金屬

在此之前，Luitz 選擇NanoOne 打印機的原因是擴大2PP 3D 打印可用的材料范圍，他嘗試使用這種高分辨率增材制造工藝打印鎢和碳化鎢結(jié)構(gòu)。這不是一件容易的事，因為這兩種材料都以其極高的硬度（莫氏硬度 9.0）和耐熱性（熔點 > 3,400 攝氏度）而聞名，這使得它們難以加工。然而，發(fā)射器尖端、探針、微型工具以及超材料或催化等應(yīng)用對由鎢及其碳化物制成的高分辨率物體的需求很高。

Manuel Luitz 說道：“使用NanoOne 打印機，我們能夠設(shè)計基于含有鎢離子的有機-無機光樹脂的制造工藝。然后對聚合物部件進行熱脫脂和還原，留下最終分辨率為 2 μm 的鎢部件和分辨率為 7 μm 的碳化鎢部件。”

△使用 NanoOne 2PP 3D 打印機生產(chǎn)的新型鉑微結(jié)構(gòu)：鉑木樁結(jié)構(gòu)（左）和放大圖（中）以及獨立式鉑納米柱（右）。

鉑金屬

Luitz在“微系統(tǒng)技術(shù)研究所-IMTEK”的NeptunLab中成功對鎢材料進行2PP 3D打印并非偶然，該團隊此前曾利用鉑材料取得了類似的結(jié)果，他們能夠生產(chǎn)獨立式納米柱以及分辨率為 300 nm 的復(fù)雜 3D 鉑微結(jié)構(gòu)。這種小型結(jié)構(gòu)將用于各種工程應(yīng)用，包括超材料和催化，其中鉑的大表面積和物理化學性質(zhì)是非常理想的。

UpNano 首席運營官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Denise Hirner 表示：“我們非常高興 Manuel加入我們不斷壯大的 UpNano 團隊，作為我們應(yīng)用和材料開發(fā)團隊的高級成員，他將繼續(xù)突破 2PP 3D 打印技術(shù)的極限。”