[发明专利]一种基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法

说明书

本发明属微流控芯片技术领域，具体为一种基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法。配制3D打印用卡拉胶或琼脂热可逆水凝胶，通过调节水凝胶浓度和使用交联剂，以提高其机械强度、降低其融化后的粘度和加快其被冷却后的胶凝速度。采用软件设计微流控芯片的通道网络、溶液孔、反应器等结构单元，设计文件输出给高精度水凝胶3D打印机，将水凝胶打印在底板上可得水凝胶阳模。将高分子预聚物与固化剂混合得铸模溶液，浇在阳模上，并盖上盖板，使其与阳模的间隙充满铸模溶，固化后脱模得微流控芯片基片，经与盖片封装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、环氧树脂等材质的聚合物微流控芯片。

技术领域

本发明属微流控芯片技术领域，具体涉及一种基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法。

背景技术

微流控芯片主要使用玻璃、石英和聚合物制作[1]，其中玻璃和石英微流控芯片通常采用光刻与化学刻蚀相结合的方法加工，技术和设备要求高，难以采用模具大批量生产，价格比较昂贵，限制了其广泛应用。于是，近年来聚合物微流控芯片得到了发展和重视，可使用模具通过注塑、印模和浇铸等技术低成本批量生产[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两种较常用的材料。聚合物微流控芯片由于可批量低成本加工，在生物医药分析、环境监测、食品药品分析和临床诊断等方面具有广阔的应用前景。

聚二甲基硅氧烷微流控芯片的加工通常采用浇铸法，即将商品预聚体与交联固化剂混合后，通过模具浇铸而成，工艺比较成熟。热塑性聚合物微流控芯片的加工技术有热压[4]、注塑[5]、激光烧蚀[6]等，其中热压技术目前使用较多，硅阳模或金属阳模采用微机电加工技术制作。热压对芯片模具的机械强度要求较高，硅模具易碎，通常热压次数不超过50次[7]，需采用微机电加工技术和设备，制作成本高，步骤繁多，且每片阳模需单独加工。特别在浇铸法制备聚合物微流控芯片时，硅和金属与成形的聚合物微流控芯片间作用力较大，脱模十分困难，经常造成模具和芯片的损坏。于是，使用廉价材料加工能批量低成本生产的阳模具有重要的实际意义。

高分子水凝胶主要以天然高分子材料（如琼脂、卡拉胶、明胶等）和人工合成高分子材料（如聚乙烯醇等）为载体，含有大量的水分，具有成本低廉和容易加工的特点，废弃后可在环境中自然降解，将其用于微流控芯片的加工，可以大幅度降低芯片加工成本。

3D打印是近年来高速发展的一种数字化快速成型技术。按照打印成型原理，较为成熟且具备实际应用前景的有5种，包括熔融堆积成型（FDM）、立体光固化成型（SLA）、分层实体制造（LOM）、三维粉末粘接（3DP）和选择性激光烧结（SLS）。目前，市面上销售的多是熔融堆积成型（FDM）3D打印机，主要以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）和聚乳酸（PLA）作为打印材料。于是，我们想到采用FDM技术3D打印融化水凝胶以制备廉价的微流控芯片水凝胶阳模，以简化芯片加工流程，并采用浇铸法复制聚合物微流控芯片。但经查阅国内外文献，尚未发现有使用3D打印水凝胶阳模加工聚合物微流控芯片的报道。本发明建立了一种基于水凝胶3D打印的聚合物微流控芯片制备方法，无需使用昂贵的光刻和微加工技术和设备，具有工艺简单和成本低廉的优点，在聚合物微流控芯片的批量低成本加工领域有良好的应用前景。

参考文献

[1]Ren KN, Zhou JH, Wu, HK. Accounts of Chemical Research, 2013, 46(11): 2396-2406.

[2]Xu BB, Zhang YL, Xia H, Sun HB. Lab on A Chip, 2013, 13(9): 1677-1690.

[3]Chen Y, Zhang LY, Chen G. Electrophoresis, 2008, 29(9): 1801-1814.