微流控芯片在個性化診療、環(huán)境和食品檢測、生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，這得益于其高效的功能單元整合能力。與2D結(jié)構(gòu)相比，3D微流控器件具有更高密度的功能單元（如可動膜腔結(jié)構(gòu)和功能化納米纖維等），這使得其能夠進行復(fù)雜的流體操作和高通量檢測。

實驗室常用的3D微流控芯片主要采用軟光刻、對準、鍵合等多步工藝進行制造，該過程流程繁瑣，環(huán)境潔凈度要求高，且對工藝人員的操作技能提出一定要求，這極大限制了微流控芯片的制造效率及其結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性。

3D打印技術(shù)具備一體化和高通量的制造特征，為微流控芯片的制造提供了絕佳的技術(shù)方案。典型地，光固化打印技術(shù)（如DLP、SLA等）能提供高分辨率的流體通道，熔融沉積成型（FDM）和多射流噴射成型（MJP）技術(shù)則擅長于構(gòu)建多材料微流控芯片。

然而，這些3D打印方法在打印極窄通道和T形微通道時常遇到通道堵塞的常見問題。此外，懸垂結(jié)構(gòu)（可動膜、懸臂梁等）的3D打印也面臨著犧牲層去除時由液體表面張力引起的結(jié)構(gòu)塌陷問題。

近期，廈門大學孫道恒教授團隊提出了一種實用的增材制造策略——納米纖維自支撐增材制造（NSCAM）方法，通過交替使用靜電紡絲和電流體動力射流（E-jet）直接制造3D微流控芯片。NSCAM基于電紡納米纖維的自支撐效應(yīng)和多孔化結(jié)構(gòu)特性，創(chuàng)新性地將納米纖維用作懸垂結(jié)構(gòu)打印的支撐層和工作流體的滲流介質(zhì)。

通過直寫墨水在納米纖維中的可控滲透，形成圖案化的3D通道壁。整個制造過程可以實現(xiàn)一體化制備3D微流控芯片，同時避免了去犧牲層和對準鍵合流程。作為演示，該研究制作并測試了一個典型的3D流體微閥，該閥具有3D微流控通道、懸臂式結(jié)構(gòu)和可動膜結(jié)構(gòu)，驗證了該方法的可行性和優(yōu)勢性。

圖1 納米纖維自支撐工藝流程：（a）交替靜電紡絲與靜電直寫工藝制備納米纖維自支撐型3D微流控通道；（b）以3D微流控壓力增益閥的制備為例，展示NSCAM工藝的具體流程：（i）在玻璃基底上靜電紡絲；（ii）將靜電直寫墨水（（也被稱為“筑型流體”））噴印在納米纖維上，保證膜的滲穿；（iii-iv）通過靜電直寫工藝圖案化筑型流體墨水，以制備控制流道層結(jié)構(gòu)；（v-vi）控制墨水在納米纖維上的縱向滲透距離以形成完整流道結(jié)構(gòu)；（vii-xiv）輸入流道層、連接流道層、輸出流道層、封頂層的構(gòu)建；（xv-xvi）3D微流控壓力增益閥工作原理

在打印過程中，靜電紡絲和靜電直寫交替進行。通過靜電紡絲形成的納米纖維被用作多孔基底，靜電直寫墨水（也被稱為“筑型流體”）被噴印在納米纖維膜上。筑型流體在多孔納米纖維中的鋪展和滲透行為主要受打印溫度的調(diào)控，當基板保持溫度設(shè)置為90℃時，最小穿透深度為~45 μm。

在NSCAM過程中，電紡納米纖維被用作每一切片層的基底，并在打印流道封頂層時被用作微通道的支撐材料。在打印流道底層（ii）和流道層（iv）時，筑型流體徹底穿透納米纖維，并在固化后形成通道下壁和側(cè)壁。在打印流道封頂層（vi）時，通過控制筑型流體的縱向穿透距離來形成通道。重復(fù)這兩個過程，可以逐層堆疊制備三維微納結(jié)構(gòu)。

圖2 含自支撐納米纖維的二維微流控器件：（a）微流控芯片；（b）在流體通道層制備過程中，分別交替進行1次、2次和3次靜電紡絲和靜電直寫以創(chuàng)建不同高度的單層微流控通道；（c）工作流體通過含自支撐納米纖維的微通道；（d）含自支撐納米纖維的微通道截面

靜電紡絲納米纖維在厚度方向上具有連續(xù)性。因此，通過控制納米纖維膜的厚度，可以獲得不同高度的微通道。控制每次電紡納米纖維的厚度保持在~25 μm，以確保筑型流體完全滲穿納米纖維膜。通過增加交替靜電紡絲和靜電直寫的次數(shù)，分別獲得了高度為26 μm（交替1次），51.23 μm（交替2次）和76.54 μm（交替3次）的微流控通道。

向通道中注入工作流體（藍色染料），得益于納米纖維的多孔性，工作流體可在通道中順暢流動，且通道中的納米纖維可將流道封頂層和流道底層連接起來，并支撐懸浮的流道封頂層以防止塌陷。

圖3 微流控增益閥的結(jié)構(gòu)特性：（a）示意圖；（b）設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸；（c-d）工作原理；（e）打印的閥芯截面；（f）可動膜在通道中壓力作用下的撓曲特性

為了證明NSCAM的可行性和優(yōu)勢性，該研究制備了一個微流控壓力增益閥。微閥控制通道的高度和寬度分別約為350 μm和5 mm，寬高比高達為15。當向控制通道施加氣壓時，可動膜向連接流道層偏轉(zhuǎn)。隨著控制壓力的增加，位移達到最大點，此時薄膜完全堵塞了連接孔，切斷了輸出通道層中的流速。

結(jié)果表明，當控制通道中的空氣壓力從0 kPa增加到64 kPa時，位于膜中心的最大偏轉(zhuǎn)點達到最大位移590 μm。

圖4 微流控增益閥的功能特性：（a）微閥壓力靜態(tài)響應(yīng)；（b）微閥循環(huán)動態(tài)響應(yīng)

在輸入流道中以135 μL/h的流量通入流體，隨著控制流道中壓力的升高（0~10 kpa），輸出流道的流量降低，這主要是由于納米纖維的壓縮。接著提高控制壓力，由于納米纖維的壓縮程度有限，輸出流速響應(yīng)存在一個壓力不應(yīng)期（即10 ~20 kPa之間），這有利于穩(wěn)定輸出流量在~80 μL/min。截止壓力出現(xiàn)在45 kPa，這時納米纖維膜被極大壓縮，可被視為無孔隙薄膜，并在壓力作用下偏轉(zhuǎn)將連接層流道完全堵塞。為了評估閥門的動態(tài)性能，將KCL溶液通入輸入流道，并在流路中施加12 V電壓。

當控制壓力從0 kPa上升到35 kPa時，連接層流道過流截面減小，電流值從500 μA下降到250 μA，壓力負載和電流變化之間的延遲約為52.6 ms。接著對閥門開展了頻率為0.15 Hz的循環(huán)測試，在高于100次重復(fù)加載-卸載測試中未見結(jié)構(gòu)失效。

綜上所述，該研究演示了一種面向3D微流控芯片的免去犧牲層增材制造方法，避免了傳統(tǒng)增材制造方法支撐結(jié)構(gòu)去除過程中由溶劑揮發(fā)或樹脂溶留阻塞等現(xiàn)象造成的微結(jié)構(gòu)失效。該方法采用電紡納米纖維作為3D打印支撐結(jié)構(gòu)，并通過靜電直寫實現(xiàn)每層切片的微尺度圖案化。文章研究了直寫墨水在電紡納米纖維中的鋪展?jié)B透規(guī)律，實現(xiàn)了~120 μm 和~45 μm的橫、縱向打印分辨率，制備的3D流體微閥可實現(xiàn)~50ms的快速開關(guān)響應(yīng)。

審核編輯：劉清