[发明专利]含多级微纳结构器件的纳米纤维自支撑增材制造方法

说明书

本发明涉及微流控器件制造领域。本发明提出一种微流控器件的制造方法：通过打印的方式沉积微/纳米纤维膜层，然后将筑型流体按照设定图案喷印至微/纳米纤维膜层并固化，以形成含筑型图案及微/纳米纤维膜的基本单元，按照此过程构建至少一层所述的基本单元。本发明能够大幅的节约微流控器的制造成本，为含有膜—腔、柱—腔、超细长孔道(通孔/盲孔)等内嵌多级微纳结构的宏器件制造提供新的技术途径。

技术领域

本发明涉及微纳3D打印以及微流控器件技术领域，尤其涉及基于微/纳米纤维打印的微流控器件以及其制造方法、制造装置。

背景技术

高效微流控系统正在向三维层叠结构发展。微流控系统中的多种基本元件(微泵、微阀、微混合器、微电极等)呈现3D(Three-dimensions)几何特征，它是实现立体化、规模化、集成化微流控系统的关键。微流控系统所用3D微流控器件中的功能区根据功能用途的不同会设有微流道基本单元或微阀基本单元。

3D纸基微流控器件是一种典型的具有微流道基本单元的3D微流控器件，目前主要采用两种制备方法，叠纸法和折纸法。叠纸法(A.W.Martinez,S.T.Phillips,Z.Nie,C.M.Cheng,E.Carrilho,B.J.4Wiley and G.M.Whitesides,Lab on a chip,2010,10,2499-2504.)是通过双面胶多层的纸逐层叠加起来形成的3D结构，在微米尺度的通道上，上下层芯片的对准需要非常精确并且繁琐；另外，采用激光切割预制连接孔增加了制造的步骤和成本。叠纸法的制造过程非常繁琐和耗时，限制了大批量的生产和应用。

折纸法(H.Liu and R.M.Crooks,Journal of the American Chemical Society,2011,133,17564-17566.D.Sechi,B.Greer,J.Johnson and N.Hashemi,Analyticalchemistry,2013,85,10733-10737.)按照设计的程序将一张纸折叠成多层，最后使用一个铝夹固定芯片就完成整个3D芯片组装。这种方法不需要胶带粘贴，避免了污染和非特异性吸附，避免了纤维素粉末的使用。但是这种方法仅采用铝夹固定可能导致试剂泄漏。

2012年，Lewis组(G.G.Lewis,M.J.Ditucci,M.S.Baker and S.T.Phillips,Labon a chip,2012,12,2630-2633.)将蜡打印图案的纸一张一张地叠在一起形成3D纸基微流控器件结构并使用喷胶黏贴。这种方法组装过程需要施加额外压力将各层压紧，可能导致芯片变形或者损坏微流控图案。

上述方法，在制造方式上均是预先通过光刻法或者蜡打印法将纸张图案化，然后借助额外的设备或者工序再进行后续的组装和装配。因此，基于目前的3D纸基微流控器件制造方法的复杂性，发展一种灵活的、简单的和自动化的微流控器件的一步式制造方法是一个非常有意义和挑战性的工作。

然而，对于具有微阀基本单元其他一些微流控器件，上述的用于制造3D纸基微流控器件的方法是无法实现的。这类微流控器件中，典型的三维结构-微阀基本单元是以微尺度致动薄膜—微腔(膜厚10～100μm，微腔深约300μm，压力约500kPa)为基本特征，是构造微流体控制元件系统的基础。微阀作为微流体的压力驱动基本单元，它在执行流体输运时避免了电驱动带来的电热、电磁等效应而被广泛采用。微尺度致动薄膜—微腔结构是微泵或微阀的核心结构，是制造难点。

对于这类具有可动薄膜-微腔结构的微流控器件，目前现有技术是基于硅、玻璃材料的微泵、微阀采用MEMS工艺来实现的，虽技术成熟，但难以在规模化微流控系统中应用。相比硅、玻璃等，聚合物材料成本低、工艺简单、生物兼容性好、表面改性相对容易，应用广泛。