一種基于水凝膠3d打印的聚合物微流控芯片制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬微流控芯片技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002]微流控芯片主要使用玻璃、石英和聚合物制作[I]，其中玻璃和石英微流控芯片通常采用光刻與化學(xué)刻蝕相結(jié)合的方法加工，技術(shù)和設(shè)備要求高，難以采用模具大批量生產(chǎn)，價格比較昂貴，限制了其廣泛應(yīng)用。于是，近年來聚合物微流控芯片得到了發(fā)展和重視，可使用模具通過注塑、印模和澆鑄等技術(shù)低成本批量生產(chǎn)[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(yī)藥分析、環(huán)境監(jiān)測、食品藥品分析和臨床診斷等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]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(yù)聚體與交聯(lián)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(shù)有熱壓
[4]、注塑[5]、激光燒蝕[6]等，其中熱壓技術(shù)目前使用較多，硅陽模或金屬陽模采用微機電加工技術(shù)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(shù)不超過50次[7]，需采用微機電加工技術(shù)和設(shè)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(jīng)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(chǎn)的陽模具有重要的實際意義。
[0004]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(huán)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。
[0005]3D打印是近年來高速發(fā)展的一種數(shù)字化快速成型技術(shù)。按照打印成型原理，較為成熟且具備實際應(yīng)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(jié)(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(shù)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(fù)制聚合物微流控芯片。但經(jīng)查閱國內(nèi)外文獻，尚未發(fā)現(xiàn)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(fā)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(shù)和設(shè)備，具有工藝簡單和成本低廉的優(yōu)點，在聚合物微流控芯片的批量低成本加工領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。
[0006]參考文獻
[I]Ren KN, Zhou JH, Wu, HK.Accounts of Chemical Research, 2013, 46(11):2396-2406.[2]XuBB, Zhang YL, Xia H, Sun HB.Lab on A Chip, 2013， 13(9): 1677-1690.[3]ChenY, Zhang LY, Chen G.Electrophoresis, 2008， 29(9): 1801-1814.[4]Chen,Qff, Zhang LY, Chen, G.RSC Advances, 2014， 4(99): 56440-56444.[5]DuLQ, Chang HL, Song MC, Liu C.Microsystem Techno1gies-Micro-andNanosystems-1nformat1n Storage and Processing Systems, 2012, 18(6): 815-822.[6]HongTF, Ju WJ, Wu MC, Tai CH, Tsai CH, Fu LM.Microfluidics andNanofluidics, 2010， 9(6): 1125-1133.[7]葉美英，殷學(xué)鋒，方肇倫.微流控芯片硅陽模的加工，微細(xì)加工技術(shù)，2004，
(3): 59-64.ο

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提出一種工藝簡單的基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，不僅可用于芯片的批量低成本加工，還可用于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單個聚合物微流控芯片的個性化設(shè)計和定制加工。
[0008]本發(fā)明提出的基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，具體步驟為:
(I)配制3D打印用瓊脂熱可逆水凝膠或卡拉膠熱可逆水凝膠，水凝膠的組分主要為水、交聯(lián)劑以及卡拉膠或瓊脂等?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)水凝膠的濃度和使用交聯(lián)劑用量，使配制的3D打印用水凝膠具有一定的機械強度，融化后溶液粘度低且冷卻后膠凝速度快，以便于熔融堆積3D打印。
[0009](2)采用計算機輔助設(shè)計軟件(如AutoCAD)設(shè)計與微流控芯片的通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對應(yīng)的陽模，生成3D打印機可直接讀取的設(shè)計文件，如二進制的STL文件。
[0010](3)3D打印用卡拉膠或瓊脂熱可逆水凝膠加熱熔化后，注入帶有恒溫加熱裝置的不銹鋼注射器中，將注射器安裝在3D打印機的卡位上固定。通過水凝膠3D打印機的進料步進電機推動注射器活塞將融化的水凝膠通過打印頭擠出。3D打印機的X軸、Y軸和Z軸的三只步進電機按照由設(shè)計文件生成的G代碼行進，將融化的水凝膠分層打印在玻璃或聚合物底板上，得到與微流控芯片通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對應(yīng)的水凝膠陽膜。
[0011](4)將高分子預(yù)聚物與固化劑混合得鑄模溶液，鑄模溶液可以是含光引發(fā)劑的甲基丙烯酸甲酯預(yù)聚溶液、含固化劑的聚二甲基硅氧烷低聚物或含固化劑的環(huán)氧樹脂預(yù)聚體等可鑄模透明高分子預(yù)聚物溶液。將鑄模溶液澆在3D打印水凝膠陽模上，蓋上蓋板使其與水凝膠陽模間的間隙充滿鑄模溶液，待鑄模溶液固化后脫模，得具有微流通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片基片;將所得基片與相同材質(zhì)的微流控芯片蓋片封裝，即得聚合物微流控芯片成品。
[0012]本發(fā)明中，步驟(I)中所述的水凝膠高分子材料選用卡拉膠或瓊脂等，其制備的水凝膠具有熱可逆性，加熱融化，冷卻到膠凝點即快速凝固成凝膠，以便于水凝膠陽模的3D熔融打印和在底板上冷卻成型。本發(fā)明選用卡拉膠和瓊脂這兩種天然高分子材料配制水凝膠，具有融化后粘度小容易打印和溫度低于膠凝點時容易快速膠凝的特點?？ɡz水凝膠和瓊脂水凝膠的交聯(lián)劑分別選用氯化鉀和硼砂。卡拉膠水凝膠的配方:卡拉膠0.5-3%、交聯(lián)劑氯化鉀0.1_2%，水余量;瓊脂水凝膠的配方:瓊脂0.5-5%，交聯(lián)劑硼砂0.1-1%，水余量。按這兩種配方制備的水凝膠機械強度高，可用于聚合物微流控芯片的澆鑄成型。
[0013]本發(fā)明中，步驟(2)中所述的設(shè)計軟件可選用能輸出二進制STL格式設(shè)計文件的三維設(shè)計軟件，如AutoCAD、3DMAX、PROE、UG、S0LIDW0RKS等。用于設(shè)計與微流控芯片通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對應(yīng)陽模的三維結(jié)構(gòu)。
[0014]本發(fā)明中，步驟(3)中所述的3D水凝膠打印機為商品高精度水凝膠打印機，打印頭的內(nèi)徑為50-150微米，可根據(jù)STL設(shè)計文件直接在底板上打印水凝膠陽模。而且只在有微流通道等結(jié)構(gòu)單元的部位打印水凝膠，可以大幅節(jié)省打印時間和打印材料。采用3D打印機打印水凝膠陽膜時，對注射器中卡拉膠水凝膠和瓊脂水凝膠的加熱溫度分別為70-90°C和60-80°C。注射器恒溫加熱裝置包括電加熱元件、熱電偶和控溫儀。
[0015]本發(fā)明中，步驟(4)中所述的以3D打印水凝膠陽膜為模板的聚合物微流控芯片基片澆鑄成型時，高分子預(yù)聚溶液與固化劑配成的鑄模溶液夾在3D打印水凝膠陽模和蓋板間，水凝膠陽模與蓋板的間隙為0.25-1.0毫米并充滿鑄模溶液，待鑄模溶液固化后脫模，即得具有微流通道等結(jié)構(gòu)的微流控芯片基片。
[0016]本發(fā)明中，步驟(4)中所述的聚合物微流控芯片封裝時，將鉆有溶液連接孔的相同材質(zhì)的聚合物蓋片與通過3D打印水凝膠陽模鑄模制備的微流控芯片基片有通道等結(jié)構(gòu)的一面對準(zhǔn)后合上，采用熱壓、鍵合或粘合等技術(shù)封裝，然后修邊，得聚合物微流控芯片。
[0017]本發(fā)明提出的基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，進一步詳述如下:
首先，需配制3D打印用卡拉膠熱可逆水凝膠或瓊脂熱可逆水凝膠，主要含水、交聯(lián)劑以及卡拉膠或瓊脂等?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)水凝膠的濃度和使用交聯(lián)劑用量，使制備的3D打印用水凝膠具有一定的機械強度，使打印得到的水凝膠陽模具有一定的強度，可用于聚合物微流控芯片的澆鑄成型。還要求水凝膠融化后溶液粘度低，便于3D打印機融化打印。此外，還需要融化的水凝膠打印到冷的底板9上冷卻后膠凝速度快，以便于堆積成型。通過大量實驗篩選，本發(fā)明選用卡拉膠和瓊脂這兩種天然高分子材料配制水凝膠，具有融化后粘度小容易打印和溫度低于膠凝點時膠凝速度快的特點?？ɡz水凝膠和瓊脂水凝膠的交聯(lián)劑分別選用氯化鉀和硼砂。卡拉膠水凝膠的配方:卡拉膠0.5-3%、交聯(lián)劑氯化鉀0.1-2%，水余量;瓊脂水凝膠的配方:瓊脂0.5-5%，交聯(lián)劑硼砂0.1-1%，水余量。按這兩種配方制備的3D打印水凝膠具有機械強度高以及融后粘度低和膠凝快的特點，適用于熔融堆積3D打印和聚合物微流控芯片的澆鑄成型。
[0018]采用計算機輔助設(shè)計軟件AutoCAD2016三維建模設(shè)計與微流控芯片通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對應(yīng)的水凝膠陽膜，典型單十字交叉微流控芯片的設(shè)計如附圖1，由分離通道2、進樣通道7和溶液連接孔(I和4-6)構(gòu)成，微流通道寬度為50-500微米，溶液連接孔直徑1-3毫米。陽膜的高度為30-300微米。獲得的設(shè)計文件輸出為高精度水凝膠3D打印機可直接讀取的二進制STL格式文件，存入SD卡中，然后插入水凝膠3D打印機讀卡器中啟動打印。
[0019]如附圖2所示，打印前，先將玻璃或聚合物底板9清洗后烘干，置于3D打印機底部的打印平臺上固定并調(diào)節(jié)水平。將3D打印用卡拉膠熱可逆水凝膠或瓊脂熱可逆水凝膠加熱到80-95°C熔化后，注入帶有恒溫加熱裝置的不銹鋼注射器中，將注射器安裝在水凝膠3D打印機的卡位上固定，通過3D打印機的進料步進電機推動注射器活塞將融化的水凝膠通過打印頭擠出。3D打印機的X軸、Y軸和Z軸三只步進電機按照由設(shè)計文件(如STL文件)生成的G代碼行進，將融化的水凝膠打印在底板9上，得與微流控芯片通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對應(yīng)的水凝膠陽膜8。
[0020]本發(fā)明所用的3D水凝膠打印機為商品高精度水凝膠打印機，打印頭的內(nèi)徑為50-150微米，可根據(jù)STL設(shè)計文件直接在底板9上打印水凝膠陽模8(見附圖2)。由于只在有微流通道等結(jié)構(gòu)單元的部位打印水凝膠，可以大幅節(jié)省打印時間和打印材料。更重要的是無水凝膠的部分為剛性且平整的玻璃板或塑料板，可通過澆鑄法獲得平整的帶有微流通道等結(jié)構(gòu)的基片，有利于后續(xù)的封裝。本發(fā)明使用的3D打印機打印水凝膠陽膜時，對注射器中卡拉膠水凝膠和瓊脂水凝膠的加熱溫度分別控制為70-90°C和60-80°C，注射器上的恒溫加熱裝置包括電加熱元件、熱電偶和控溫儀等。
[0021]將高分子預(yù)聚溶液與固化劑混合得鑄模溶液10，由于使用的是水凝膠陽模，選用的鑄模溶液需在水凝膠融化溫度以下固化，且要求固化反應(yīng)放熱很少。符合這些條件的常用鑄模溶液有含光引發(fā)劑的甲基丙烯酸甲酯預(yù)聚合溶液、含固化劑的聚二甲基硅氧烷低聚物或含固化劑的環(huán)氧樹脂等，在低于本發(fā)明中水凝膠融化溫度以下均可固化。將溶解有光引發(fā)劑安息香乙醚(甲基丙烯酸甲酯質(zhì)量的0.1-0.3%)和偶氮二異丁腈(甲基丙烯酸甲酯質(zhì)量的0.1-0.3%)的甲基丙烯酸甲酯溶液在70-90 0C的水浴中加熱20-60分鐘，獲得含光引發(fā)劑的甲基丙烯酸甲酯預(yù)聚合溶液;而含固化劑的聚二甲基硅氧烷低聚物鑄模溶液是將商品聚二甲基硅氧烷低聚物(如107室溫硫化聚二甲基硅氧烷)與固化劑正硅酸乙脂和促進劑二月桂酸二丁基錫混合獲得，其中正硅酸乙脂和二月桂酸二丁基錫的含量分別為5%和1-2%;含固化劑的環(huán)氧樹脂鑄模溶液采用商品雙酚A環(huán)氧樹脂(如E51環(huán)氧樹脂)與固化劑乙二胺混合制備，其中乙二胺的含量為8-12%。
[0022]根據(jù)預(yù)制備微流控芯片的要求選用鑄模溶液10，澆在3D打印水凝膠陽模8上，并蓋上蓋板11。蓋板11與水凝膠陽模8的間隙通過墊片控制在0.25-1.0毫米范圍內(nèi)，并要求該間隙充滿鑄模溶液1，當(dāng)鑄模溶液10固化成形并脫模后蓋板11成為聚合物微流控芯片基片13的一部分。然后，在相同材質(zhì)的聚合物蓋片15上對應(yīng)于微流通道基片13通道的末端打溶液連接孔1、4、5和6(見附圖1，孔徑1-3毫米)。對于澆鑄在水凝膠陽模8與蓋板11間的含光引發(fā)劑的甲基丙烯酸甲酯預(yù)聚合溶液，采用玻璃底板9，在室溫下于365納米的紫外線下照射30分鐘可完全硬化得聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片基片13，將帶有溶液連接孔的聚甲基丙烯酸甲酯蓋片15與基片13對準(zhǔn)合上，有結(jié)構(gòu)的一面在中間，采用紅外線熱壓封裝后得微流控芯片成品14，見附圖5。而對于聚二甲基硅氧烷低聚物和環(huán)氧樹脂，一旦加入固化劑，其固化反應(yīng)隨即開始，必須在澆鑄芯片前將預(yù)聚物和固化劑混合并真空脫氣。澆鑄聚二甲基硅氧烷微流控芯片基片13時，用紅外線照射澆鑄在水凝膠陽模8與蓋板11間的聚二甲基硅氧烷鑄模溶液，溫度控制在40-500C，鑄模溶液在10-30分鐘內(nèi)可以固化為彈性體。底板9需為涂有脫膜劑(如0.1-1%的硬脂酸鈉溶液)的聚甲基丙烯酸甲酯板，脫模得聚二甲基硅氧烷微流控芯片基片13?；?3于波長為365納米的紫外線下照射10-40分鐘后，有通道的一面與一片同尺寸的經(jīng)紫外線處理的打有溶液連接孔1、4、5和6(見附圖1，孔徑1-3毫米)的聚二甲基硅氧烷蓋片對準(zhǔn)，在室溫下加壓封裝可得聚二甲基硅氧烷微流控芯片成品15。對于澆鑄在水凝膠陽模8與透明環(huán)氧樹脂蓋板11間的環(huán)氧樹脂鑄模溶液，用紅外線照射，并溫度控制在40-500C，在10-30分鐘內(nèi)可完全聚合，底板9可為玻璃板或聚甲基丙烯酸甲酯板，脫模得環(huán)氧樹脂微流控芯片基片，制得的基片13可以與一片涂有無水乙醇的同尺寸環(huán)氧樹脂蓋片15在100-150 °C溫度范圍內(nèi)通過熱壓封裝得微流控芯片14。
[0023]本發(fā)明首次提出并成功建立了基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，采用水凝膠3D打印技術(shù)制備了彈性熱可逆水凝膠陽模，并成功用于聚合物微流控芯片的澆鑄加工。本發(fā)明將3D打印這種數(shù)字化快速成型技術(shù)用于水凝膠陽模的制備，無需昂貴的光刻和微機電加工技術(shù)和設(shè)備，可批量打印。由于水凝膠模具材料成本低廉、成形簡便和可生物降解的優(yōu)點，不僅在聚合物微流控芯片的批量低成本加工中有良好的應(yīng)用前景，還可用于具有特殊結(jié)構(gòu)的個性化聚合物微流控芯片的定制加工。本發(fā)明只是打印微流控芯片有通道和功能單元(如反應(yīng)器)的部分，與微流控芯片整體打印相比，可大幅縮短打印時間、降低能耗和減少打印材料的消耗。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明加工的典型單十字交叉微流控芯片平面設(shè)計圖。
[0025]圖2為基于3D打印水凝膠陽模8和鑄模溶液10表面原位聚合法制備聚合物微流控芯片的流程圖。其中，(A)在玻璃底板或聚合物底板9上3D打印卡拉膠水凝膠陽模或瓊脂水凝膠陽模8; (B)將鑄模溶液1澆鑄在水凝膠陽模8上；(C)在鑄模溶液1蓋上蓋板11，使鑄模溶液10充滿二者間的縫隙；(D)用波長為365納米紫外光或紅外線12引發(fā)表面原位聚合得微流控芯片基片13; (E)分離微流控芯片基片13，除去通道內(nèi)的水凝膠；(F)將微流控芯片基片13與同樣材質(zhì)的聚合物蓋片15通過封裝得聚合物微流控芯片成品14。
[0026]圖3為采用3D打印卡拉膠水凝膠陽模制備的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片基片通道的斷面顯微鏡照片。
[0027]圖4為采用3D打印卡拉膠水凝膠陽模制備的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片封裝通道的斷面顯微鏡照片。
[0028]圖5為采用3D打印卡拉膠陽模制備的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片實物照片。
[0029]圖6為含0.5 mM雌三醇16、雌酮17和雌二醇18混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的電泳圖譜。
[0030]圖中標(biāo)號:I為樣品溶液孔，2為分離微流通道，3為含微流通道2和7以及溶液連接孔I，4，5和6的微流控芯片，4、5和6均為緩沖溶液孔，7為進樣微流通道，8為熔融水凝膠，9為玻璃底板或聚合物底板，10為由高分子預(yù)聚物溶液和固化劑組成的鑄模溶液，11為蓋板，12為紫外線或紅外線，13為聚合物微流控芯片基片，14為聚合物微流控芯片，15聚合物微流控芯片蓋片，16為雌三醇，17為雌酮，18為雌二醇。
【具體實施方式】
[0031 ]下面通過實施例和附圖進一步描述本發(fā)明:
實施例1、3D打印卡拉膠水凝膠陽模在聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片制備中的應(yīng)用首先，需配制3D打印用卡拉膠熱可逆水凝膠，主要含水、交聯(lián)劑氯化鉀以及卡拉膠?？ɡz水凝膠的配方:卡拉膠1.5%、交聯(lián)劑氯化鉀1%，水余量。稱取15克卡拉膠粉末分散到800克水中，在室溫(約25 °C )溶漲6小時。然后，加熱到95 0C使卡拉膠徹底溶解。將10克氯化鉀溶于175克水中，與加熱的卡拉膠溶液混合均勻后，負(fù)壓脫氣后澆鑄成直徑為3-8毫米的條狀，置于4°C冰箱中保存。上述配方經(jīng)過一系列優(yōu)化實驗獲得的，主要是通過調(diào)節(jié)水凝膠的濃度和交聯(lián)劑用量，使配制的3D打印用水凝膠具有一定的機械強度，使打印得到的水凝膠陽模具有一定的強度，以便用于聚合物微流控芯片的澆鑄成型。按此配方配制的水凝膠融化后溶液粘度低，便于3D打印機融化打印。此外，該水凝膠融化后打印到冷的底板9上后膠凝速度快，有利于堆積成型。
[0032]采用計算機輔助三維設(shè)計軟件AutoCAD2016建模設(shè)計與微流控芯片通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對應(yīng)的水凝膠陽膜，典型單十字交叉微流控芯片的設(shè)計如附圖1，由分離通道2、進樣通道7和溶液連接孔(I和4-6)構(gòu)成，微流通道寬度約為200微米，溶液連接孔直徑2毫米。陽膜的高度約為150微米，分離通道2長65毫米，進樣通道7長12毫米，二者在進樣通道7的中點交叉連接，芯片的打印幅面的尺寸為75毫米X 16毫米。設(shè)計文件輸出為高精度水凝膠3D打印機可直接讀取的二進制的STL格式文件并存入SD卡中，然后插入水凝膠3D打印機讀卡器中啟動打印。
[0033]如附圖2所示，打印前，先將玻璃底板9清洗后吹干，置于3D打印機底部的打印平臺上固定并調(diào)節(jié)水平后，將3D打印用卡拉膠熱可逆水凝膠加熱到80°C熔化后，注入帶有恒溫加熱裝置的不銹鋼注射器中后，安裝在水凝膠3D打印機的卡位上并固定，啟動注射器恒溫加熱裝置。通過3D打印機的進料步進電機推動注射器活塞將融化的卡拉膠水凝膠通過打印頭擠出。3D打印機的X軸、Y軸和Z軸三只步進電機按照設(shè)計文件生成的G代碼行進，將融化的卡拉膠水凝膠打印在玻璃底板9上，得與微流控芯片通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對應(yīng)的水凝膠陽膜8。
[0034]實施例1所用的3D水凝膠打印機為商品高精度水凝膠打印機，打印頭的內(nèi)徑為100微米，可根據(jù)STL設(shè)計文件直接在底板9上打印卡拉膠水凝膠陽模8。由于只在有微流通道等結(jié)構(gòu)單元的部位打印水凝膠，可大幅節(jié)省打印時間和打印材料。更重要的是無水凝膠的部分為剛性且平整的玻璃板，通過澆鑄法可得平整的帶有微流通道等結(jié)構(gòu)的基片，有利于后續(xù)的封裝。本發(fā)明使用的3D打印機打印水凝膠陽膜時，對注射器中卡拉膠水凝膠的加熱溫度控制為約80°C。
[0035]將溶解有光引發(fā)劑安息香乙醚(甲基丙烯酸甲酯質(zhì)量的0.2%)和偶氮二異丁腈(甲基丙烯酸甲酯質(zhì)量的0.2%)的甲基丙烯酸甲酯溶液在80°C水浴中加熱30分鐘可獲得含光引發(fā)劑的甲基丙烯酸甲酯預(yù)聚溶液。取1.5毫升該鑄模溶液10沿3D打印在玻璃底板9上的卡拉膠水凝膠陽模8的中線澆在其上，并蓋上一片聚甲基丙烯酸甲酯蓋板11(75毫米X 16毫米X1.0毫米)。蓋板11與水凝膠陽模8的間隙通過墊片控制為0.5毫米，并要求該間隙充滿鑄模溶液10。在室溫下，用波長365納米紫外線12照射鑄模溶液10，20分鐘后可完全硬化，聚甲基丙烯酸甲酯蓋板11則成為微流控芯片基片13的一部分。圖3為采用3D打印卡拉膠水凝膠陽模制備的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片基片通道的斷面顯微鏡照片。在基片13表面中間可觀測到清晰的半圓形通道的斷面，寬度約200微米，深度約為150微米，深寬比較高，對獲得高質(zhì)量的芯片封裝式至關(guān)重要的。最后，在聚甲基丙烯酸甲酯蓋片15(75毫米X 16毫米X I毫米)的小片上與基片13微流通道末端對應(yīng)位置處鉆溶液連接孔1、4、5和6(見附圖1，孔徑2毫米)，與基片13上有結(jié)構(gòu)的一面對準(zhǔn)合上，通過兩平整的玻璃夾板施加2公斤/平方厘米的壓力，于遠(yuǎn)紅外燈下加熱3分鐘，取出自然冷卻到室溫，即完成基片13與蓋片15的封裝，得聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片成品14。
[0036]圖4為采用3D打印卡拉膠水凝膠陽模制備的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片封裝通道的斷面顯微鏡照片。顯然，微流控芯片基片13上的未封裝通道與蓋片15獲得了良好的封裝，形成半圓形的通道，而且有通道結(jié)構(gòu)的基片13與蓋片15間的界面消失，說明二者已經(jīng)融為一體。圖5為采用3D打印卡拉膠陽模制備的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片實物照片，可見芯片通體透明，無氣泡，質(zhì)量令人滿意。
[0037]本發(fā)明制作的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片與0-3000伏特高壓直流電源和安培檢測儀構(gòu)成微流控芯片安培檢測系統(tǒng)，檢測電極為碳電極，檢測電位為0.90伏特(相對于銀/氯化銀參比電極)，已成功用于雌三醇16、雌酮17和雌二醇18的分離和檢測。在10 mM硼酸鹽-50 mM十二烷基硫酸鈉(SDS)混合溶液(pH 9.2)中，使用分離通道長65毫米的微流控芯片，分離電壓為+2000伏特。附圖6為含0.5 mM雌三醇、雌酮和雌二醇混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的電泳圖譜。三種雌激素的檢測靈敏度分別為56.68,34.93和29.62 nA/mM。結(jié)果表明，本發(fā)明制作的聚甲基丙烯酸甲酯微流控芯片可在200秒內(nèi)將上述雌三醇、雌酮和雌二醇完全分離，高效快速，在實際樣品分析中有良好的應(yīng)用前景。
[0038]實施例2、3D打印瓊脂水凝膠陽模在聚二甲基硅氧烷微流控芯片制備中的應(yīng)用微流控芯片的設(shè)計和瓊脂水凝膠陽模的制作方法同實施例1。
[0039]將77克水與2.5克瓊脂粉混合，靜置3小時候使瓊脂溶脹。然后，加熱到90°C使瓊脂完全溶解。將0.5克硼砂溶于20毫升水中，趁熱將兩種溶液混合，冷卻到室溫得3D打印用水凝膠。
[0040]如附圖2所示，打印瓊脂水凝膠陽模前，先將聚甲基丙烯酸甲酯底板9清洗后吹干，涂少量脫模劑(0.5%的硬脂酸鈉溶液)后晾干，置于3D打印機底部的打印平臺上固定并調(diào)節(jié)水平。將3D打印用瓊脂熱可逆水凝膠加熱到70°C熔化后，注入帶有恒溫加熱裝置的不銹鋼注射器中后，安裝在水凝膠3D打印機的卡位上并固定，通過3D打印機的進料步進電機推動注射器活塞將融化的瓊脂水凝膠通過打印頭擠出。3D打印機的X、Y和Z軸三個步進電機按照設(shè)計文件生成的G代碼行進，將融化的瓊脂水凝膠分層打印在聚甲基丙烯酸甲酯板9上，在底板9上得到與微流控芯片通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對應(yīng)的瓊脂水凝膠陽膜8。
[0041 ]將商品聚二甲基硅氧烷低聚物107室溫硫化聚二甲基硅氧烷與固化劑正硅酸乙脂和促進劑二月桂酸二丁基錫混合，得含固化劑的聚二甲基硅氧烷低聚物鑄模溶液，其中正硅酸乙脂和二月桂酸二丁基錫的含量分別為5%和1.5%;取1.5毫升該鑄模溶液10沿底板9上的3D打印瓊脂水凝膠陽模8長邊的中線澆在其上，并蓋上一片透明的聚二甲基硅氧烷蓋板11 (75暈米X 16暈米X 1.暈米)。蓋板11與水凝膠陽模13的間隙為0.5暈米并充滿鑄模溶液10,用紅外線照射澆鑄在水凝膠陽模8與蓋板11間的鑄模溶液，溫度控制在45 0C，鑄模溶液在20分鐘內(nèi)可以固化為彈性體。當(dāng)鑄模溶液固化成形后，聚二甲基硅氧烷蓋板11成為聚合物微流控芯片基片13的一部分，取一片用透明聚二甲基硅氧烷薄板裁減而成的微流控芯片蓋片15(75毫米X 16毫米X 1.0毫米)用無水乙醇清洗，吹干，在與基片13上通道末端對應(yīng)位置處打溶液連接孔1、4、5和6(見附圖1，孔徑1-3毫米)，基片13和蓋片15于波長為365納米的紫外線下照射30分鐘后，基片13有通道的一面與打有溶液連接孔的聚二甲基硅氧烷蓋片15對準(zhǔn)，在室溫下加壓封裝可得聚二甲基硅氧烷微流控芯片成品14。
[0042]實施例3、3D打印卡拉膠水凝膠陽模在環(huán)氧樹脂微流控芯片制備中的應(yīng)用環(huán)氧樹脂微流控芯片澆鑄用卡拉膠水凝膠陽模的設(shè)計和加工同實施例1。將商品E51環(huán)氧樹脂與固化劑乙二胺按質(zhì)量比90:10混合并真空脫氣后，可得含固化劑的環(huán)氧樹脂鑄模溶液，取1.5毫升該鑄模溶液10沿卡拉膠水凝膠陽模8長邊的中線澆在其上，并蓋上一片自制透明環(huán)氧樹脂蓋板11(75毫米X 16毫米X 1.0毫米)。蓋板11與水凝膠陽模8的間隙為0.5毫米并充滿鑄模溶液10。對于澆鑄在水凝膠陽模8與透明環(huán)氧樹脂蓋板11間的環(huán)氧樹脂鑄模溶液，用紅外線12照射，并溫度控制在45°C左右，在25分鐘內(nèi)可完全聚合硬化，底板9為玻璃板，超聲脫模得環(huán)氧樹脂微流控芯片基片13。當(dāng)鑄模溶液10固化成形后，環(huán)氧樹脂蓋板11成為聚合物微流控芯片基片13的一部分。在一片自制環(huán)氧樹脂蓋片15(75毫米X 16毫米X1.0毫米)上對應(yīng)于基片13上微流通道末端位置處鉆溶液連接孔1、4、5和6(見附圖1，孔徑2毫米)，將微流控芯片基片13和打孔后的蓋片15用水乙醇清洗并吹干，在蓋片15上涂覆無水乙醇一遍，立即把基片13有通道結(jié)構(gòu)的一面與蓋片15合上，通過兩平整的玻璃夾板施加3(公斤/平方厘米)的壓力，于130°C烘箱中保持10分鐘，取出自然冷卻到室溫，即完成基片13與蓋片15的封裝，得環(huán)氧樹脂微流控芯片成品14。
【主權(quán)項】
1.一種基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，其特征在于具體步驟為: (1)配制3D打印用瓊脂熱可逆水凝膠或卡拉膠熱可逆水凝膠，通過調(diào)節(jié)水凝膠的濃度和使用交聯(lián)劑用量，使配制的3D打印用水凝膠具有一定的機械強度，融化后溶液粘度低且冷卻后膠凝速度快； (2)采用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計與微流控芯片的通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對應(yīng)的陽模，生成3D打印機可直接讀取的設(shè)計文件； (3)3D打印用卡拉膠熱可逆水凝膠或瓊脂熱可逆水凝膠加熱熔化后，注入帶有恒溫加熱裝置的不銹鋼注射器中，將注射器安裝在3D打印機的卡位上固定;通過3D打印機的進料步進電機推動注射器活塞將融化的水凝膠通過打印頭擠出；3D打印機的X軸、Y軸和Z軸的三只步進電機按照由設(shè)計文件生成的G代碼行進，將融化的水凝膠分層打印在玻璃或聚合物底板上，得到與微流控芯片通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元相對應(yīng)的水凝膠陽膜； (4)將高分子預(yù)聚物與固化劑混合得鑄模溶液，所述鑄模溶液是含光引發(fā)劑的甲基丙烯酸甲酯預(yù)聚溶液、含固化劑的聚二甲基硅氧烷低聚物或含固化劑的環(huán)氧樹脂預(yù)聚體;將鑄模溶液澆在3D打印水凝膠陽模上，蓋上蓋板使其與水凝膠陽模間的間隙充滿鑄模溶液，待鑄模溶液固化后脫模，得具有微流通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片基片;將所得基片與相同材質(zhì)的微流控芯片蓋片封裝，即得聚合物微流控芯片成品。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，其特征在于步驟(I)中所述的卡拉膠水凝膠的配方:卡拉膠0.5-3%、交聯(lián)劑氯化鉀0.1-2%，水余量;瓊脂水凝膠的配方:瓊脂0.5-5%，交聯(lián)劑硼砂0.1-1%，水余量。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，其特征在于步驟(2)中所述的設(shè)計軟件選用能輸出二進制STL格式設(shè)計文件的三維設(shè)計軟件，包括AutoCAD、3DMAX、PROE、UG或 S0LIDW0RKS。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，其特征在于步驟(3)中所述的3D水凝膠打印機為商品高精度水凝膠打印機，打印頭的內(nèi)徑為50-150微米，根據(jù)STL設(shè)計文件直接在底板上打印水凝膠陽模，而且只在有微流通道等結(jié)構(gòu)單元的部位打印水凝膠;采用3D打印機打印水凝膠陽膜時，對注射器中卡拉膠水凝膠和瓊脂水凝膠的加熱溫度分別為70-90 °C和60-80 °C。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，其特征在于步驟(4)中以3D打印水凝膠陽膜為模板的聚合物微流控芯片基片澆鑄成型時，高分子預(yù)聚溶液與固化劑配成的鑄模溶液夾在3D打印水凝膠陽模和蓋板間，水凝膠陽模與蓋板的間隙為0.25-1.0毫米并充滿鑄模溶液，待鑄模溶液固化后脫模，即得具有微流通道等結(jié)構(gòu)的微流控芯片基片。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水凝膠3D打印的聚合物微流控芯片制備方法，其特征在于步驟(4)中，所述含光引發(fā)劑的甲基丙烯酸甲酯預(yù)聚合溶液的組分為:甲基丙烯酸甲酯，光引發(fā)劑安息香乙醚，為甲基丙烯酸甲酯質(zhì)量的0.1-0.3%，偶氮二異丁腈，甲基丙烯酸甲酯質(zhì)量的0.3%;將安息香乙醚、偶氮二異丁腈溶解于甲基丙烯酸甲酯中，在70-90°C的水浴中加熱20-60分鐘，獲得含光引發(fā)劑的甲基丙烯酸甲酯預(yù)聚合溶液;所述含固化劑的聚二甲基硅氧烷低聚物鑄模溶液是將商品聚二甲基硅氧烷低聚物與固化劑正硅酸乙脂和促進劑二月桂酸二丁基錫混合獲得，其中正硅酸乙脂和二月桂酸二丁基錫的含量分別為5%和1-2%;所述含固化劑的環(huán)氧樹脂鑄模溶液采用商品雙酸A環(huán)氧樹脂與固化劑乙二胺混合制備，其中乙二胺的含量為8-12%。
【專利摘要】本發(fā)明屬微流控芯片技術(shù)領(lǐng)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(diào)節(jié)水凝膠濃度和使用交聯(lián)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(shè)計微流控芯片的通道網(wǎng)絡(luò)、溶液孔、反應(yīng)器等結(jié)構(gòu)單元，設(shè)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(yù)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(jīng)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(huán)氧樹脂等材質(zhì)的聚合物微流控芯片。
【IPC分類】B33Y10/00, B33Y50/00, C08F120/14, B29C67/00, B29C33/38, B29C39/02
【公開號】CN105711017
【申請?zhí)枴緾N201610088589
【發(fā)明人】陳剛, 韓毓, 張劍霞, 張魯雁
【申請人】復(fù)旦大學(xué)