本發(fā)明屬于微加工領(lǐng)域,特別是涉及一種通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法。
背景技術(shù):
微流控技術(shù)是一門涉及化學(xué)、流體物理、微電子、新材料以及生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程的新興交叉學(xué)科,具有集成化、微型化的特征。由于微納尺度下,流體之間的傳熱傳質(zhì)效率較高且易于控制,所以微流控技術(shù)被廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成、微反應(yīng)器和化學(xué)分析中。除此之外,微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如:萃取提純、病毒及細(xì)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(yōu)勢。同時具有分形結(jié)構(gòu)的微通道更是由于自身的自相似性以及較大的比表面積和仿生學(xué)設(shè)計可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)能力同時降低流體流動過程中的壓降,所以具有分形結(jié)構(gòu)的微通道在生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域有較大的潛在應(yīng)用。
目前用于微通道制備的材料有很多,包括硅、玻璃、金屬、聚甲酸丙烯酸甲酯(pmma)、聚二甲基硅氧烷(pdms)在內(nèi)各種有機(jī)無機(jī)材料。針對不同的材料和用途其加工方法也有所不同,例如硅和玻璃材料上主要通過光刻和蝕刻技術(shù);聚合物類材料的加工則主要通過軟光蝕刻技術(shù)。除此之外,常見的微通道制備方法還有濕法蝕刻、干法蝕刻、激光蝕刻、機(jī)械加工、注塑加工等等。
但是基于以上加工方法的微通道制備技術(shù),其制備工藝對襯底表面質(zhì)量要求苛刻、制作工藝復(fù)雜、有的甚至需要昂貴的曝光和蝕刻設(shè)備,成本較高,成品率較低。同時,例如機(jī)械加工等方法對于直通道或者規(guī)則通道的制備較為簡單卻很難制備具有分形不規(guī)則形狀的微通道,同時傳統(tǒng)的制備方法也很難制備多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)微通道的制備。因此,針對復(fù)雜的分形結(jié)構(gòu)微通道的制備急需發(fā)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(chǎn)具有分形結(jié)構(gòu)的微通道。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點,本發(fā)明的目的在于提供一種通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法,用于解決現(xiàn)有技術(shù)中對復(fù)雜分形結(jié)構(gòu)微通道制備的較難實現(xiàn)、工藝復(fù)雜、成本較高的問題。
為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的,本發(fā)明提供一種通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法,所述方法至少包括:
(i)由計算機(jī)繪圖軟件繪制,并由3d打印機(jī)打印出對應(yīng)的分形結(jié)構(gòu)骨架;
(ii)將所述分形結(jié)構(gòu)骨架固定在培養(yǎng)皿中,并注入聚二甲基硅氧烷溶液至一定高度;
(iii)真空抽取所述聚二甲基硅氧烷溶液中的氣泡,加熱固化;
(iv)利用溶劑溶解所述分形結(jié)構(gòu)骨架,形成分形結(jié)構(gòu)微通道。
作為本發(fā)明通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法的一種優(yōu)化的方案,所述步驟1)中利用sla或fdm打印方式打印出對應(yīng)的分形結(jié)構(gòu)骨架,獲得的所述分形結(jié)構(gòu)骨架服從murray定律。
作為本發(fā)明通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法的一種優(yōu)化的方案,所述分形結(jié)構(gòu)骨架包括分形結(jié)構(gòu)骨架主體和與所述分形結(jié)構(gòu)骨架主體連接的垂直結(jié)構(gòu),所述垂直結(jié)構(gòu)伸出所述聚二甲基硅氧烷溶液液面之外。
作為本發(fā)明通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法的一種優(yōu)化的方案,所述分形結(jié)構(gòu)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(fā)明通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法的一種優(yōu)化的方案,所述聚二甲基硅氧烷溶液為重量比10:1的基本組分和固化劑的混合液。
作為本發(fā)明通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法的一種優(yōu)化的方案,所述基本組分為道康寧公司生產(chǎn)的sylgard184硅橡膠雙組份套件產(chǎn)品中的a組分,所述固化劑為道康寧公司生產(chǎn)的sylgard184硅橡膠雙組份套件產(chǎn)品中的b組分。
作為本發(fā)明通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法的一種優(yōu)化的方案,所述步驟2)中,將所述分形結(jié)構(gòu)骨架固定在所述培養(yǎng)皿中之后,所述分形結(jié)構(gòu)骨架主體距離所述培養(yǎng)皿上下兩個面一定距離,注入所述聚二甲基硅氧烷溶液后,所述聚二甲基硅氧烷溶液將所述分形結(jié)構(gòu)骨架主體包裹,所述垂直結(jié)構(gòu)伸出所述聚二甲基硅氧烷溶液液面之外。
作為本發(fā)明通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法的一種優(yōu)化的方案,所述步驟3)中,通過烘箱進(jìn)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(fā)明通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法的一種優(yōu)化的方案,所述步驟4)中的溶劑溶解所述分形結(jié)構(gòu)骨架,同時不與固化后的聚二甲基硅氧烷發(fā)生反應(yīng),所述溶劑根據(jù)所述分形結(jié)構(gòu)骨架的材料選擇,為有機(jī)溶劑或者水。
作為本發(fā)明通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法的一種優(yōu)化的方案,所述步驟5)中,所述分形結(jié)構(gòu)微通道尺寸在100~1000微米
如上所述,本發(fā)明的通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法,包括:1)由計算機(jī)繪圖軟件繪制,并由3d打印機(jī)打印出對應(yīng)的分形結(jié)構(gòu)骨架;2)將所述分形結(jié)構(gòu)骨架固定在培養(yǎng)皿中,并注入聚二甲基硅氧烷溶液至一定高度;3)真空抽取所述聚二甲基硅氧烷溶液中的氣泡,加熱固化;4)利用溶劑溶解所述分形結(jié)構(gòu)骨架,形成分形結(jié)構(gòu)微通道。本發(fā)明制備工藝簡單,無需復(fù)雜的儀器和嚴(yán)格地實驗室條件,可以快速、高效、成批量生產(chǎn)具有分形結(jié)構(gòu)的微通道。
附圖說明
圖1為本發(fā)明通過3d打印制備分型結(jié)構(gòu)微通道的流程圖。
圖2為本發(fā)明步驟1)獲得的3d打印分形結(jié)構(gòu)骨架示意圖。
11.第一垂直支撐,111.第二垂直支撐,12.分形結(jié)構(gòu)骨架主體。
圖3為本發(fā)明步驟2)中向固定有分形結(jié)構(gòu)骨架的培養(yǎng)皿中加入pdms溶液的示意圖。
21.分形結(jié)構(gòu)骨架連同主體與支撐,22.分形結(jié)構(gòu)固定處,23.10:1配比的pdms溶液,24.培養(yǎng)皿。
圖4為本發(fā)明獲得的基于pdms的分形結(jié)構(gòu)微通道示意圖。
31.分形結(jié)構(gòu)微通道,32.固化的pdms凝膠。
圖5及圖6為本發(fā)明多層分形結(jié)構(gòu)微通道的制備示意圖。
41.第一分形結(jié)構(gòu)骨架支撐結(jié)構(gòu),411.第二分形結(jié)構(gòu)骨架支撐,42.第一多層分形結(jié)構(gòu)骨架,43.第二多層分形結(jié)構(gòu)骨架,44.多層分形結(jié)構(gòu)上下層連接骨架,45.多層分形結(jié)構(gòu)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(fā)明的實施方式,本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應(yīng)用,本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用,在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)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(fā)明的基本構(gòu)想,遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制,其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變,且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
本發(fā)明提供一種通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法,如圖1所示,所述方法包括如下步驟:
首先執(zhí)行步驟s1,由計算機(jī)繪圖軟件繪制,并由3d打印機(jī)打印出對應(yīng)的分形結(jié)構(gòu)骨架。
本步驟中,所述分形結(jié)構(gòu)骨架的尺寸優(yōu)先的服從murray定律,其總體尺寸根據(jù)培養(yǎng)皿的容積確定。打印獲得的分形結(jié)構(gòu)骨架的材料應(yīng)具有良好的耐熱性和一定的機(jī)械強(qiáng)度并能夠通過后處理被溶解掉,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。打印方式也是根據(jù)不同的材料可以選擇fdm(fuseddepositionmodeling)或sla(光固化成型)打印方式。同時,所述分形結(jié)構(gòu)骨架包括分形結(jié)構(gòu)骨架主體和與所述分形結(jié)構(gòu)骨架主體連接的垂直結(jié)構(gòu),所述垂直結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的長度,可以伸出所述聚二甲基硅氧烷溶液液面之外。所述垂直結(jié)構(gòu)可以在骨架溶解去除之后形成微通道的進(jìn)出口。打印完成后的分形結(jié)構(gòu)骨架應(yīng)將表面支撐去除干凈,保證骨架表面的粗糙度在允許的范圍內(nèi),防止后續(xù)制備的微通道內(nèi)部粗糙度過大。
然后執(zhí)行步驟s2,將所述分形結(jié)構(gòu)骨架固定在培養(yǎng)皿中,并注入聚二甲基硅氧烷溶液(pdms溶液)至一定高度。
具體地,將所述分形結(jié)構(gòu)骨架固定在所述培養(yǎng)皿中之后,所述分形結(jié)構(gòu)骨架主體距離所述培養(yǎng)皿上下兩個面一定距離,注入所述聚二甲基硅氧烷溶液后,所述分形結(jié)構(gòu)骨架主體應(yīng)被完全包裹在pdms溶液中,與分形結(jié)構(gòu)骨架主體連接的垂直結(jié)構(gòu)應(yīng)伸出pdms液面之外。
更具體地,所述聚二甲基硅氧烷溶液為重量比10:1的基本組分和固化劑的混合液。優(yōu)選地,所述聚二甲基硅氧烷溶液為dowcorning(道康寧)公司生產(chǎn)的
接著執(zhí)行步驟s3,真空抽取所述聚二甲基硅氧烷溶液中的氣泡,加熱固化。
將所述pdms溶液注入培養(yǎng)皿后,需要經(jīng)過真空抽氣處理,排出pdms溶液內(nèi)部的氣泡。具體地,將培養(yǎng)皿靜置于真空環(huán)境中并通過真空泵向外抽氣,使得分散在溶液中的氣泡均浮于pdms表面后除去,從而使加熱固化后形成的固體中沒有氣泡存在。經(jīng)過真空處理后的pdms溶液需要經(jīng)過烘箱加熱處理,使pdms溶液固化形成具有一定強(qiáng)度的pdms凝膠,并且溫度不宜過高,防止3d打印的分形結(jié)構(gòu)骨架變形,具體的溫度可以根據(jù)微通道硬度的不同選擇合適的溫度與固化時間,作為優(yōu)選的方案,可以設(shè)置固化溫度為80-180℃,固化時間為20-60min。
最后執(zhí)行步驟s4,利用溶劑溶解所述分形結(jié)構(gòu)骨架,形成分形結(jié)構(gòu)微通道。
進(jìn)行步驟s3后,將固化后的pdms凝膠連同3d打印分形結(jié)構(gòu)骨架一起從培養(yǎng)皿中剝下,剝離過程中要保證pdms固體不受損壞。等溫度降至室溫后,使用適當(dāng)?shù)娜軇┤芙馑龇中谓Y(jié)構(gòu)骨架,形成所需的分形結(jié)構(gòu)微通道。
所述溶劑用來溶解所述分形結(jié)構(gòu)骨架,同時不與固化后形成的聚二甲基硅氧烷凝膠發(fā)生任何物理化學(xué)反應(yīng),即溶劑可以溶解3d打印材料卻不對微通道以及微通道的載體pdms凝膠產(chǎn)生任何影響。所述溶劑根據(jù)所述分形結(jié)構(gòu)骨架的材料選擇,為有機(jī)溶劑或者水。例如,當(dāng)打印的分形結(jié)構(gòu)骨架為abs和pla時,可以選擇丙酮作為溶劑,當(dāng)打印的分形結(jié)構(gòu)骨架為pva材料時,可以選擇95℃以上的熱水作為溶劑。
形成微通道后,可以通過空氣泵入處理去除多余物質(zhì)??諝獗眯枰凶銐虻膲毫Σ⑶夷軌虮贸鲎銐蚯鍧嵉目諝猓瑧?yīng)該能夠排出微通道中由于溶劑溶解骨架后形成的雜質(zhì),并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(jù)實際要求和3d打印精度決定。微通道制作過程簡單、快速,可以制備多層復(fù)雜分形結(jié)構(gòu)微通道,且對環(huán)境要求較低,技術(shù)難度較低。特別適合復(fù)雜分形結(jié)構(gòu)微通道的批量高效生產(chǎn)。
下面通過兩個具體的實施例來說明本發(fā)明通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)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打印制備單層分形結(jié)構(gòu)微通道的方法,所述通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)的微通道的過程如下:首先利用計算機(jī)繪制出單層楔形分形結(jié)構(gòu)骨架。如圖2所示,所涉及的分形結(jié)構(gòu)骨架其厚度為1mm,分形結(jié)構(gòu)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(yuǎn)離骨架中心的第一終端上連接有與分形結(jié)構(gòu)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,并且一端連接在所述分形結(jié)構(gòu)骨架上。在與第一終端對應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)入magics19.0中進(jìn)行切片分析。并使用fdm打印機(jī)打印出3d打印分形結(jié)構(gòu)骨架,打印材料為abs。打印完成,將所述3d打印結(jié)構(gòu)骨架取出,去除表面3d打印支撐件,并對表面進(jìn)行拋光。
將所述3d打印分形結(jié)構(gòu)骨架材料固定在培養(yǎng)皿24中,培養(yǎng)皿24尺寸優(yōu)選的為直徑為100mm,高度為20mm。將3d打印的分形結(jié)構(gòu)骨架固定在所述培養(yǎng)皿24中,如圖3所示,優(yōu)選的所述3d打印的分形結(jié)構(gòu)骨架主體上表面距離培養(yǎng)皿上平面9mm,下表面距離培養(yǎng)皿底面9mm,所述第一垂直支撐距離培養(yǎng)皿內(nèi)壁面距離為9.9mm,所述第二垂直支撐距離培養(yǎng)皿內(nèi)壁面距離也為9.9mm。
向所述培養(yǎng)皿24中添加pdms溶液23,所述pdms溶液23優(yōu)選的選擇dowcorning公司生產(chǎn)的
將所述培養(yǎng)皿24連同pdms溶液23、3d打印分形結(jié)構(gòu)骨架置于真空機(jī)器中,抽真空。抽空時間為10min,優(yōu)選的使pdms溶液中氣泡全部排出。繼而取出所述pdms溶液,放置于烘箱中,烘箱溫度設(shè)置120℃,加熱時間設(shè)定20min。
將所述分形結(jié)構(gòu)微通道制備裝置取出,冷卻至室溫。pdms經(jīng)加熱后變成固體凝膠,將所述pdms固體連帶3d打印abs材料分形結(jié)構(gòu)骨架一起從培養(yǎng)皿中剝離。此時,3d打印分形結(jié)構(gòu)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打印abs材料分形結(jié)構(gòu)骨架一起放置于大燒杯中,向所述大燒杯中添加丙酮試劑,至所述3d打印abs材料分形結(jié)構(gòu)骨架完全溶解形成相應(yīng)的楔形分形結(jié)構(gòu)微通道31,取出所述pdms固體32。
將所述pdms固體清水洗滌,并利用空氣泵吹凈微通道內(nèi)多余的物質(zhì),使得所制備的微通道內(nèi)表面較為光滑,制得具有楔形分形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)微通道的制備方法,所述多層結(jié)構(gòu)微通道的制備方法包括:3d打印雙層分形結(jié)構(gòu)骨架,所述雙層分形結(jié)構(gòu)骨架通過計算機(jī)繪制得到。如圖5所示,優(yōu)選的,其由7級分支組成,呈“h型”結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(jìn)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的主干遠(yuǎn)離分形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)41,其為直徑3mm,高度為25mm的圓柱體,伸長方向為遠(yuǎn)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的主干遠(yuǎn)離分形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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方式打印及后處理,具體方式請參閱具體實施例一中所述,此處不再贅述。將所打印好的雙層“h型”分形結(jié)構(gòu)骨架放置于培養(yǎng)皿中,使所述第二垂直支撐411觸碰到培養(yǎng)皿底面。將所述第一垂直支撐41固定在培養(yǎng)皿上表面。
作為示例,如具體實施例一中所述,向所述培養(yǎng)皿中添加配比10:1的pdms溶液,后續(xù)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,將固化后的pdms連同3d打印雙層分形結(jié)構(gòu)骨架一起從培養(yǎng)皿中剝離。確認(rèn)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固體放置于大燒杯中,添加丙酮使得3d打印abs材料雙層分形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)微通道進(jìn)行空氣泵去除多于物質(zhì)處理,具體方法請參考具體實施例一所述。形成雙層分形結(jié)構(gòu)微通道45以及pdms固體,如圖6所示。
綜上所述,本發(fā)明提供一種通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法,所述通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的制備方法包括:通過計算機(jī)繪制所需的微通道形狀,并通過適當(dāng)?shù)?d打印方式制造出對應(yīng)的分形結(jié)構(gòu)骨架。將所述具有分形結(jié)構(gòu)的骨架固定在所述培養(yǎng)皿中,并向所述培養(yǎng)皿中添加配比為10:1的pdms溶液,經(jīng)過靜置、真空抽氣、加熱等工序使所述pdms溶液發(fā)生固化。將所述固化后的pdms固體連帶3d打印分形結(jié)構(gòu)骨架一起放置于大燒杯中,向所述大燒杯中加入適當(dāng)?shù)娜軇┦?d打印分形結(jié)構(gòu)骨架溶解形成相應(yīng)的具有分形結(jié)構(gòu)的微通道,并通過空氣泵等工序去除微通道中多余雜質(zhì)形成所需的基于pdms的分形結(jié)構(gòu)微通道。
本發(fā)明提出的一種通過3d打印制備分形結(jié)構(gòu)微通道的方法,可以與微流控技術(shù)相結(jié)合,為復(fù)雜結(jié)構(gòu)微通道的制備提供一種快速、高效的制備方法。不需要復(fù)雜的儀器與苛刻的實驗條件,本發(fā)明所提供的方法可以成批量、低成本的生產(chǎn)具有分形結(jié)構(gòu)的微通道。所以,本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效,而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下,對上述實施例進(jìn)行修飾或改變。因此,舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變,仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。