美国陆军和研究人员在开放实验室中在曲面上的3D打印微流体

随着微流控技术在多种应用中的应用，其领域正在不断发展：组织工程，药物筛选和输送，传感器，生物打印等。微流体技术涉及以微米级来控制和控制流体的流动。它们本质上是一个很小的管道系统，与3D打印的重叠度越来越高 。制造微流体装置的传统方法是通过复杂的光刻技术，该技术需要几个步骤，并且要在具有受控环境的洁净室中进行。使硅酮液体流过图案化的表面，然后固化，以便图案在固化的硅酮中形成通道。

但是，来自明尼苏达大学的一组研究人员与美国陆军作战能力发展司令部士兵中心一起，找到了一种3D打印流体微尺度通道的方法，该方法可用于帮助自动制造传感器、诊断程序和分析方法、医疗测试…无尘室必要。

“这项新的努力为微流体设备打开了许多未来的可能性。UMN机械工程教授，UMN McAlpine Research负责人Michael McAlpine解释说，能够在没有洁净室的情况下对这些设备进行3D打印意味着诊断工具可以由他们办公室的医生打印，也可以由野外士兵远程打印。

拥有机械工程系Kuhrmeyer家庭讲座教授职位的McAlpine也是该团队的高级研究员，该团队发表了有关其工作的研究报告“用于多功能微流体的3D打印自支撑弹性体结构”，在同行中，评论了《科学进展》杂志。该研究的其他共同作者是UMN机械工程研究生Su Ruitao Su；UMN电气和计算机工程研究人员和博士候选人Wen Jiauan Wen和Sun Sun；美国陆军CCDC士兵中心研究员Michael S. Wiederoder博士；UMN的路易斯·约翰·施奈尔大学电气与计算机工程教授 约书亚·乌扎尔斯基（Joshua R. Uzarski）博士也曾在陆军的CCDC士兵中心工作。

“通过软光刻技术制造的微流控设备已经证明了引人注目的应用，例如芯片实验室诊断，DNA微阵列和基于细胞的测定。通过将微流控技术与电子传感器和曲线基板直接集成以及提高自动化以实现更高的吞吐量，可以进一步开发这些技术。当前的增材制造方法，例如立体光刻和多喷射印刷，往往会在印刷过程中用未固化的树脂或支撑材料污染基材。

3D打印的自支撑微流体结构。（A）顶部：3D打印微流体通道的示意图。底部：自支撑结构的3D模型，包括三角形和圆形通道，六角形和圆锥形穹顶。（B）左：印有直线型材的自支撑墙的弯矩分析。右图：（a）不同倾斜角度和700μm伸出长度的硅树脂壁的复合截面图。每个图像的边界由墙的边缘区分。（b）发现37°是可以打印的最小倾斜角度。（c）以37°以下的倾斜角印刷的硅树脂墙在根部塌陷。比例尺，200μm。（C）3D打印的微流体通道和腔室的照片，壁切开以显示横截面轮廓。比例尺，1毫米。（D）宽度为ca的三角形和圆形通道的SEM图像。100微米 比例尺，100μm。（E）相对于印刷速度（N = 3）的爆破压力和三角形通道的壁厚的图。插图显示了一个被测样品，其长度为5毫米，壁厚约为150微米 。

根据研究人员的说法，真正令人兴奋的是，这是我们第一次看到将3D直接打印在曲面上的微流体结构。这是将其正确打印在人的皮肤上以便实时感应体液的重要一步。

研究人员写道：“自支撑微流体结构实现了多功能设备的自动化制造，包括多材料混合器，微流体集成传感器，自动化组件和3D微流体。”

该团队使用定制的3D打印机在开放实验室中而不是在洁净室环境中仅一步之遥就可以在表面上直接打印微流控通道（是人类头发大小的三倍）。他们使用了一系列阀门来控制，泵送和重定向通过微小通道的流体流。研究中使用的所有设备均作为其假设的概念证明。

“在这里，我们引入了一种基于挤出的可自动化印刷方法，该方法可将弹性体微流体结构直接对准并印刷到平面和曲线基板上，而无需进行后处理。通过选择具有适当屈服强度的油墨并控制印刷的悬垂结构的轮廓，可以实现自支撑壁并进一步封闭以形成中空结构，例如通道和腔室。由于微流体跨越距离处于亚毫米范围内，因此导致足够小的弯曲力矩，使得所印刷的壁能够承受，从而使得该方法适合于印刷微流体结构。然后可以设计印刷工具路径，以在通道和腔室，T形交叉点和重叠通道之间创建无泄漏的过渡。”研究人员写道。

3D打印的微流体阀，泵和球形微流体网络。（A）3D打印微流体阀的示意图显示配置。（B）显示3D打印微流体阀打开和关闭状态的照片。以100kPa的压力关闭阀。比例尺，3毫米。（C）在变化的流动压力下3D打印的微流阀的关闭压力测试。（D）用标准蠕动代码001、100和010驱动的微流体泵的流量测试，其中1和0分别表示打开和关闭状态。插图显示带有两个储液罐的3D打印微流体泵。比例尺，5毫米。（E）具有集成阀的3D打印球形会聚和蛇形微流体通道。图像显示了阀1和2的三种组合操作状态。比例尺为10 mm。（F）球形微流体通道的细丝堆积方案。（a）至（c）展示了三个通道横截面的设计和印刷轮廓。添加间隔丝以防止球中心远侧的不对称通道塌陷。比例尺。1毫米 （照片由****教科文组织苏瑞涛提供）

团队3D打印在曲面上的微流体也与电子传感器集成在一起，以实现芯片实验室功能。

McAlpine重申：“能够在曲面上进行打印也为设备带来了许多新的可能性和用途，包括直接在皮肤上打印微流体以实时检测体液和功能。”

虽然将3D打印微流体通道肯定会在曲面上形成独特之处，但这项研究的另一个重要方面是可以在洁净室环境之外制造它们。这意味着在未来可以通过基于机器人的自动化来生产设备，并获得可重复的结果。

明尼苏达大学的研究人员是第一个在曲面上进行3D打印的微流体通道的方法，它提供了第一步，有朝一日可以将它们直接打印在皮肤上，以便实时检测体液。照片由McAlpine Group提供。

这项研究的部分工作在明尼苏达州纳米中心完成，该中心由国家科学基金会通过国家纳米技术协调基础设施（NNCI）网络提供支持。这项工作是由美国陆军研究办公室通过CCDC士兵中心资助的；美国国立卫生研究院（NIH）国家生物医学成像与生物工程研究所；以及明尼苏达州的发现，研究与创新经济（MnDRIVE）计划。