3D 打印微流控芯片及其在化学、生物中的应用进展（Developments of 3D Printing Microfluidics and Applications in Chemistry and Biology a Review） 36 Developments of 3D Printing Microfluidics and Applications in Chemistry and B.pdf 去年受 Electroanalysis 杂志副主编 José MPingarrón 教授的约稿，花了大半年的时间对 3D 打印微流控芯片的研究进展进行了梳理，结合了自己在研究过程中的一些理解，写了这篇综述 “Developments of 3D Printing Microfluidics and Applications in Chemistryand Biology: a Review” 。虽然尽力查阅了相关文献，但仍不免有所遗漏，尤其是由于发表周期的问题，近期的一些进展可能没有述及。 微流控芯片 (MicrofluidicChip) 是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域，又称为微全分析系统、微流体芯片等。基于 MEMS 工艺的微制造技术在微流控芯片中获得了广泛的应用，但随着时间的发展现有的微流控制造方法也慢慢暴露了很多缺点。主要体现在维度限制（制造三维微流控芯片比较困难）及小批量制造的成本居高不下。因而随着 3D 打印技术的发展，采用 3D 打印制造微流控芯片越来越可行与方便。 本篇综述的目的主要有：（ 1 ）梳理现有的 3D 打印技术，对各类 3D 打印技术适合于制作那种类型的微流控芯片进行分析，目的是帮助微流控研究人员更好的选择适合的 3D 打印工艺；（ 2 ）梳理现有 3D 打印微流控芯片进展，包括其在化学及生物学中的应用；（ 3 ）结合自己的理解，对 3D 打印微流控芯片的发展做些展望与预测，特别是以后可能会获得大幅发展的 3D 打印微流控芯片技术。 1 熔融沉积（ FDM ） 3D 打印方式的微流控芯片制造 挤出成型 3D 打印方法中， FDM 打印技术目前应用最为普遍，成本也最为低廉，售价通常在 3000RMB-1000RMB ，故而常被称为桌面式 3D 打印机。如能使用 FDM 打印机很好的解决微流控芯片的制造问题，无疑非常实用、非常方便。当然 FDM 桌面式 3D 打印机的缺点是精度不高，直接用来打印芯片通常会出现泄漏等问题，使用合适的打印材料，可以部分的避免这个问题。另一个方法是使用 FDM 打印打印模具，如觉得模具精度不高，可进行二次抛光，用作快速制造微流控芯片还是比较方便的，需要声明的是，该方法制造芯片的精度大概在几百微米之间。 基于 FDM 工艺打印的微流控芯片 2 光固化 3D 打印方式的微流控芯片制造 光固化 3D 打印方式中 SLA 价格比较贵，不够亲民。而 DLP 工艺近几年发展迅速，有普及的趋势，目前价格也就在 1 万 RMB-5 万 RMB 左右，精度也可控制在几十微米。个人觉得 DLP 工艺的 3D 打印机比较适合于微流控芯片制造，当然光固化树脂的一些特性可能会限制光固化打印微流控芯片的部分应用，而这也是研究人员可以努力的方向哈。基于 DLP 工艺，透明的微流控芯片、内置的 3D 流道相对容易制造出来，具体的部分技术细节还需进一步探索。我比较看好 DLP 技术在微流控芯片制造中的应用。 基于光固化工艺制造的微流控芯片 3 选择性激光烧结 3D 打印方式的微流控芯片制造 由于该方式主要烧结金属材料，价格较贵，在微流控中报道不多，主要见于微反应器的报道。个人觉得用于燃料电池的制氢微反应器可考虑使用这个工艺制造。 4 基于喷墨 3D 打印方式的微流控芯片制造 喷墨 3D 打印有两类成型方式，一类是通过喷射粘结剂粘附颗粒实现 3D 结构制造，这个工艺中液体渗漏是一个问题，个人认为不太适合于芯片制造。另一类是喷射光固化液滴，利用 UV 光固化，这个制造方式接近于前述的光固化工艺，但由于多喷头的作用使得彩色 3D 结构的打印不再是难题。该工艺制造微流控芯片同样有不少报道，理论上将可基于该工艺实现芯片上一些抗体、反应物等的同时打印，我们期待后续会出现这方面的报道。 基于喷墨光固化的微流控芯片 3D 打印 5 叠层制造 3D 打印方式的微流控芯片制造 叠层制造原来是指将切好截面的纸张叠加起来实现 3D 结构的制造，基于该原理可手工制造出芯片的每部分，然后将其叠加起来。个人觉得如果是手工制作，归类于 3D 打印有点勉强。不过目前的有一种融合了基于切纸的叠层制造及喷墨打印工艺的 3D 打印机有望在 3D 纸芯片的制造中获得应用，理论上讲使用喷墨打印头可方便的在纸上沉积各种试剂、而切纸工艺可方便的制造三维纸芯片结构，我很期待后续会有这方面的报道。 6 双光子聚合 3D 打印方式的微流控芯片制造 该工艺精度高，能制造微纳米尺度的流道，可惜受限于设备成本及商业化应用稍显狭窄的问题，该方法还需要成熟期，未来能否有较多的应用还有待观察。 基于叠层制造及双光子聚合的微流控芯片 3D 打印 7 3D 打印生物微流控芯片 /3D 打印生物 MEMS 3D 打印生物微流控可大体分为器官芯片打印及生物打印中的血管化。前者主要目标是在芯片上模拟出器官组织，用于药物筛选等。而后者主要是为了解决器官制造中的营养输送或者说是血供问题。 课题组的生物打印血管化研究工作，同样可用于器官芯片的直接打印 参考文献 116 的血管化工作 8 3D 打印微流控芯片优缺点 Method Principle Material Advantages Disadvantages Suitable microfluidics FDM Extrusion -based Thermoplastic, eutectic metal,ceramics, edible material, etc. Simple using and maintaining, low cost, easily accessible Rough surface, low resolution Mold casting, channel size larger than 200μm, Low-cost chips SLA DLP Photocuring Liquid photosensitive resin High accuracy Limited resin, unbio-compatible Mold casting, Channel size larger than 100μm 3DP-LR Inkjet-based Liquid photosensitive resin High accuracy Very expensive Transparent chips SLS SLM Photomelting Powdered plastic, metal, ceramic, PC, acrylic styrene, PVC, ABS wax, etc. Wide adaptation of materials, high accuracy, high strength Very expensive Reactor with high temperature LOM Paper cutting Sheet material (paper, plastic film, metal sheets, cellulose etc.) Low cost, easy to manufacture large parts Time-consuming, low material utilization 3D μPADs with different agents 3DP-P Inkjet-based Powdered plaster, ceramics sugar etc. Colorful printing Post surface treatment, low strength Unsuitable LDW Two-Photon Polymerization Process Laser-based Glass, fused silica etc. High accuracy Expensive Situations need high accuracy 9 3D 打印微流控芯片展望 个人认为后续 3D 打印微流控芯片有 6 个趋势 其一、从二维面芯片过渡到三维体芯片；其二、直接打印凝胶材质的微流控芯片；其三、针对微流控需要的 3D 打印工艺将会开发得到更多的重视；其四、基于打印工艺直接集成传感器及制动器到微流控芯片中；其五、基于 3D 打印的微流控芯片模块化组装；其六、纸芯片的 3D 打印封装，构成便携式 POC 系统。 更详细的探讨可参考我们发表的论文，欢迎感兴趣的同行交流。
甜蜜的芯片打印-用于三维微流控芯片制造的3D打印机 （ Printing 3D microfluidic chips with a 3D sugarprinter, Email: yongqin@zju.edu.cn ） 摘要：三维微流控芯片具有集成度高、流道结构复杂，在流体操控、生物化学分析检测、药物筛选、片上器官等领域有着广泛的应用前景，一向是微流控芯片研究领域的难点。微流控芯片制造中常用的光刻及刻蚀等传统MEMS工艺进行三维微流控芯片的制造工艺繁琐、成本高昂，这也是目前三维微流控芯片报道较少的原因。浙江大学浙江省三维打印工艺与装备重点实验室研究人员经过两年多的研究探索、成功研发了用于三维微流控芯片制造的3D打印机，并基于打印出的芯片进行了细胞立体培养，展示了该3D打印机在微流控领域的广阔应用前景。 微流控芯片（ microfluidic chips ）及基于微流控芯片的微全分析系统 / 芯片实验室（ Lab on a chip ）及片上器官（ Organ on a chip ）在基于微流体的生化分析、检测、操控、细胞培养、药物筛选等领域有着极其广泛的应用。而具有三维流道结构的 3D 微流控芯片，具有集成度高、可真正实现三维的流动及操控，相比目前常用二维微流控芯片具有更为广泛的应用前景。实现三维微流控芯片的制造业一直是业界的研究热点及研究难点。众多研究人员基于传统的 MEMS 光刻制造工艺，发展了一些三维微流控芯片的制造方法，但制造工艺繁琐、成本高昂，难以真正实用。目前也有使用三维打印机进行微流控芯片制造的报道，但类似光固化类的三维打印机受困于分辨率，使得打印出的流道有诸多局限。如材料的限制，不能使用微流控芯片分析领域常用的、已被大量实验证实可靠的材料，同时微流道表面粗糙，不透明使其进行后续的流体操纵及分析也有很大的局限。 浙江大学浙江省三维打印工艺与装备重点实验室研究人员提出了一种基于熔融牺牲层工艺的三维微流控纸芯片的 3D 打印制造方法 。通过课题组自行研发的三维打印机，将熔化的糖打印出来作为三维流道的牺牲层材料，将液态 PDMS 打印出来作为芯片的主体材料。待 PDMS 固化后，将芯片放到水中溶解掉牺牲层，即可实现三维微流控芯片的制造。其重要优点有 1 、使用微流控芯片中常用的 PDMS 材料作为芯片的主体材料，无毒、透明、透气，可确保其能广泛应用于各种生化分析、片上器官等研究中。 2 、熔融的糖作为牺牲层材料，由于表面张力作用，打印出的结构表面光滑，可实现光滑流道的制造。 3 、糖极易溶于水，便于牺牲层的快速去除。 3D 微流控芯片打印机原理图 打印三维立体网络结构的芯片 糖打印机打印的二维及三维微流控芯片 微流控芯片细胞培养 目前该成果已在 Springer 旗下的 Microfluidics and Nanofluidics 期刊发表，题为“ Printing 3D microfluidic chips with a 3D sugar printer ”。 19 Printing 3D microfluidic chips with a 3D sugar printer.pdf
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