连续界面光刻技术最新突破！Carbon利用iCLIP 新技术3D打印高分辨率微流体通道
时间:2024-09-15 11:06 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
2024年9月14日，来自斯坦福大学的研究人员开发了一种新的高分辨率树脂 3D 打印工艺——基于注射的连续液体界面制造技术（iCLIP）。这种新方法是此前CLIP技术的改良版本，消除了树脂在负空间（如通道或空隙）中过度固化的风险，使其成为 3D 打印微流体设备的理想选择。
相关研究以题为“High-resolution stereolithography: Negative
spaces enabled by control of fluid
mechanics/高分辨率立体光刻：通过流体力学控制实现的负空间”的发表在美国国家科学院院刊（PNAS）上。加州 3D
打印机制造商Carbon的联合创始人兼前首席执行官 Joseph M. DeSimone是该论文的共同作者。
论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2405382121
DeSimone 现在是Carbon公司的董事会成员，在开发 Carbon 的专利连续液体界面生产(CLIP) 技术方面发挥了关键作用。斯坦福团队在研究中利用了CLIP 的，称为注射 CLIP (iCLIP)。除了项目负责人 Ian A. Coates 和 Gabriel Lipkowitz 之外，DeSimone
还是一项专利申请的发明者，该专利申请涉及使用 iCLIP 进行负空间保存的方法。CLIP 和 iCLIP 专利和专利申请将授权给一家名为
PinPrint 的新疫苗和药物输送公司，该公司由 DeSimone 共同创立。
斯坦福团队的 iCLIP 方法在 3D打印过程中不断通过负空间输送新鲜的可聚合树脂流。这取代了存在过度固化风险的树脂，从而可以生产出高度和直径明显较小的通道。Carbon 的主管应用工程师Andrew Sink在 X 上发帖称，这种基于注射的树脂3D 打印工艺是“增材制造领域的新飞跃”。Sink 表示：“它将在光聚合物领域实现令人难以置信的成就。”
据研究人员介绍，iCLIP 为血管床和微流体支持的微针等高分辨率微系统设备提供了更好的设计和材料自由。
△iCLIP过程示意图及由此产生的解析负结构。图片来自 PNAP。
如何防止树脂3D打印过度固化？
负空间对于微流体装置、生物医学装置、血管网络、分离介质和电子电路至关重要。它们有助于精确控制流体流动、提高传感器精度和增强分离效率。
增材制造方法越来越多地被采用来生产这些微系统。立体光刻 3D 打印，包括数字光处理 (DLP)，在这一领域尤为流行。DLP 3D 打印机使用紫外线的二维投影逐层固化光聚合树脂层。
尽管与 DLP 相关，但 CLIP3D 打印依赖于构建表面的树脂更新。该工艺采用透氧窗口，在树脂桶底部形成无聚合区域。这个“死区”可防止液态树脂固化并粘附在投影窗口上，从而缩短 3D 打印时间并创建更易碎的绿色部件。
在立体光刻中，高分辨率光学元件用于精确引导紫外线并准确固化 XY 平面上的每一层树脂。然而，在 Z 轴（垂直方向）上实现高分辨率则更具挑战性。
此时，很难将光线限制在单层内，因为紫外线会泄漏到之前的 3D 打印层中。这会导致部件分辨率降低，并且树脂会在先前创建的负空间中过度固化。
目前为克服这一问题所采取的措施包括将紫外线衰减添加剂加入树脂中，以控制层厚度，从而提高 3D 打印精度。然而，这些添加剂需要更强的光线来硬化树脂，从而减慢了 3D 打印过程。它们通常还具有毒性，因此不适合用于医疗或生命科学应用。
因此，研究人员转向了 iCLIP 3D 打印。该团队不断将自然氧化（抑制）树脂泵入构建平台，冲洗掉 3D 打印通道中可能过度固化的任何残留树脂。这种方法使团队能够使用各种材料成功 3D 打印高分辨率负空间。
△微流体分配器、血管灌注床和通过高分辨率 iCLIP 打印的微流体微阵列贴片。图片来自 PNAS。
iCLIP 3D 打印高分辨率微流体通道
为了验证他们的假设，斯坦福大学团队最初以 0° 到 90° 的角度 3D 打印了直径为200 μm 的微通道。
使用传统的立体光刻 3D 打印，90°通道极易发生过度固化。当使用 iCLIP 制作通道时，光学显微图像表明所有角度均以高分辨率 3D 打印而成。
接下来，该团队以 30° 角 3D 打印了一个微流体网络，通道直径在 50 μm 到 200 μm 之间。当使用 iCLIP 工艺时，成像和电子显微镜均证实了整个负空间的精确分辨率。
△不同通道间距的 CLIP 和 iCLIP 打印件。图片来自 PNAS。
研究人员还研究了 iCLIP 3D 打印过程中新鲜树脂的注入速率如何影响通道分辨率。他们创建了一个“周转数”（Tu）来测量新鲜树脂的注入速度与负空间（或通道）的打印速度之间的比率。
未注入树脂时，3D 打印通道会过度固化，形成不正常。随着 Tu 的增加和更多树脂的注入，通道更接近预期设计。但是，流速增加太多可能会导致通道变宽或破裂。
研究人员还评估了 Tu 与树脂穿透深度(Dp)
之间的关系，即紫外线在失效前可以进入树脂的距离。研究小组发现，随着 Dp 的增加，实现精确通道分辨率所需的 Tu
也会增加。这确保了新鲜树脂在受到过多紫外线照射之前取代旧树脂，从而在 3D 打印过程中保持正确的层形成。
展望未来，研究人员相信 iCLIP 3D 打印将为个性化医疗设备和微机电应用提供重要价值。
为了证明这一点，他们 3D 打印了一系列支持 iCLIP 的微系统，包括微针贴片、血液运输系统的血管网络、导电镓元素和多孔灌注网络。
考虑到 DeSimone 为其新生物医学公司申请此项技术专利的努力，类似这样的设备可能很快就会进入商业市场。
△微流体驱动的微针贴片。图片来自 PNAS。
3D打印微流体设备
增材制造在微流体应用中的应用越来越广泛。去年，昆士兰科技大学的研究人员评估了树脂 3D打印在生产用于细胞应用的微流体组件方面的能力。
DMG Digital Enterprises的MOIIN High Temp和MOIIN Tech
Clear树脂与ASIGA UV Max X27 DLP 3D 打印机 配合使用，可制造常见的微流体设计。这些设计包括 2D
单层培养装置、柱阵列和液滴发生器的收缩通道。
研究得出结论，MOIIN High Temp 和 MOIIN Tech Clear 树脂可有效用于 3D 打印细胞应用的微流体通道。这两种材料均被证实具有生物相容性，并且可通过显微镜等成像平台看到。
此外，麻省理工学院(MIT) 的研究人员最近开发出了一种自加热的 3D 打印微流体设备。该设备仅需价值约 2 美元的材料，即可制造成低成本的疾病检测工具。
麻省理工学院团队采用了多材料挤压 3D 打印技术，包括可生物降解的聚合物（聚乳酸或 PLA）和注入铜纳米颗粒的改良版本。当转变为电阻器时，这种改良的 PLA 会导电。这使得电流可以以热量的形式消散，从而形成一个可以一步完成 3D 打印的自加热微流体装置。
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