巴黎薩克雷大學(xué)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新穎且簡單的微通道制造方法。通過使用配有MicroFab高溫壓電噴頭的自制噴墨打印機(jī)打印犧牲材料并將其浸入適當(dāng)?shù)目山宦?lián)材料中。不需要潔凈室環(huán)境，也不需要粘合步驟?？稍诓煌再|(zhì)的，甚至復(fù)雜的表面上制作微通道，分辨率低至20μm。
基于揮發(fā)性固體模具的噴墨打印，巴黎薩克雷大學(xué)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)在“Replication of a Printed Volatile Mold: a novel microfabrication method for advanced microfluidic systems”的研究中提出了一種新穎且簡單的微通道制造方法。從MicroFab的高溫壓電噴頭（MJ-SF-04-060）噴出的液體墨水 -1,6 己二醇 - 接觸冷卻的基板時(shí)會(huì)立即凍結(jié)，然后用PDMS澆注創(chuàng)建的模具。一旦PDMS交聯(lián)，墨水就會(huì)升華，設(shè)備就準(zhǔn)備好了。通過這種方法，可以在不同性質(zhì)的表面上制作微通道，例如玻璃、紙、未交聯(lián)的PDMS層或非平面基材。這種方法的多功能性通過直接在商業(yè)電極上打印通道和測(cè)量通道電容來說明。此外，毫米高度的微流體系統(tǒng)*容易生產(chǎn)（縱橫比≥25) 以及橋梁等3D結(jié)構(gòu)。為了演示，研究團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)組合微流體系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以從4個(gè)初始溶液中生成6個(gè)混合物，而無需任何堆疊和繁瑣的對(duì)齊過程。制造過程如下圖所示。首先，模具的材料，即墨水，必須以液相沉積在基材上。它應(yīng)在冷藏表面快速固化，以獲得良好的模具穩(wěn)定性。噴墨打印方法最適合這種工藝。該方法包括通過噴射材料液滴到基材上來產(chǎn)生圖案。噴墨打印是一種成熟的和**強(qiáng)大的技術(shù)，該技術(shù)已在導(dǎo)電材料沉積，聚合物沉積，甚至是組織工程上被廣泛地使用和研究。這是一種**通用的方法，分辨率低至20μm，且可以使用不同的墨水在同一基材上產(chǎn)生不同的功能。在此階段，可以在基板上添加其他元件，例如外殼。然后將一種可以交聯(lián)的材料倒在模具上，稱之為外殼。交聯(lián)條件不得引起墨水的熔化。一旦外殼堅(jiān)固，就必須打開通道。研究團(tuán)隊(duì)通過蒸發(fā)排出墨水。由于氣體的排空比液體的排空快得多，因此大大減少了墨水的去除時(shí)間。為確保快速提取，蒸發(fā)溫度應(yīng)相對(duì)較低，以便通過施加合理的熱量和真空來完成提取。最后一步是一項(xiàng)完整的創(chuàng)新。
▲ 圖1 微流控芯片的制作過程。( a ) 墨水以液相沉積在基材上，并立即凍結(jié)。( b ) 可以添加附加元素。這里有一些用于連接的元件和一個(gè)外殼，以避免PDMS的擴(kuò)散。( c ) 將系統(tǒng)浸入在低于墨水熔點(diǎn)的溫度下交聯(lián)的PDMS中。( d ) 墨水蒸發(fā)，留下開放的通道。該系統(tǒng)可直接使用或從基材上取下以供進(jìn)一步應(yīng)用。外殼可以從基材上脫開并粘合到另一個(gè)上，例如使用等離子技術(shù)。但是，如果外殼對(duì)基材有*好的附著力，則可以直接使用芯片。研究團(tuán)隊(duì)稱這種方法為打印的揮發(fā)性模具（RPVM）的復(fù)制。RPVM制作的芯片如下圖所示 。墨水蒸發(fā)后，紅色染料直接流入芯片中，無需等離子鍵合（PDMS直接固化在玻璃上）。為了測(cè)試這些芯片的電阻，打印了一個(gè)只有一個(gè)開口的通道。油墨成型蒸發(fā)后，通道（寬190μm，高180μm) 充滿水并承受越來越大的壓力。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以承受350mbar的壓力，并在400mbar時(shí)斷裂，這對(duì)于大多數(shù)微流體應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。該過程可以在親水基材（玻璃和硅晶片）以及疏水基材（PDMS、聚丙烯、聚酰亞胺）上完成。此外，對(duì)基材的粗糙度或曲率沒有限制。在下圖c,d中，使用幾乎沒有保持平坦的，**粗糙的濾紙，和液體PDMS作為基材。
▲ 圖2 ( a ) 打印在玻璃上的己二醇圖案的演示（基材溫度5℃) 和 ( b ) 填充紅色染料的最終芯片。通道寬度為50μm。該芯片在去除墨水后直接使用，即沒有等離子鍵合。( c ) 非扁平醋酸纖維素濾紙（基材溫度 5℃）。( d ) 未交聯(lián)的液體PDMS（基材溫度-24℃）。比例尺2mm。
當(dāng)僅打印一條滴線時(shí)，通道的橫截面具有透鏡形狀，如下圖**幅圖像所示 。通道形狀的角度取決于墨水在基材上的接觸角、液滴撞擊速度和凝固時(shí)間。通道的高度可以通過在彼此頂部打印幾條線來單獨(dú)調(diào)整，即通過打印幾層相同的圖案。對(duì)印有不同層數(shù)的芯片垂直切片進(jìn)行成像以觀察通道的橫截面，如圖3所示 。**層相對(duì)平坦，寬83μm，高16μm。然而，在第三層之后，每一層新層都以相同的方式沉積，導(dǎo)致通道寬度為50μm時(shí)的高度增加了31±3μm。要注意的是，預(yù)沉積層可能會(huì)隔離沉積墨水的熱傳遞，但是，至少在玻璃基材冷卻至5℃的情況下，這似乎對(duì)制造高縱橫比沒有任何影響。作為層數(shù)函數(shù)的通道高度，如圖4所示 ，正如預(yù)期的那樣，高度與沉積層成線性比例。需要注意，*容易獲得**大的縱橫比，如圖4的插圖所示：在5℃下，在玻璃基材上獲得40層寬度為50μm且高度≥1200μm的通道（縱橫比≥25）。這與其他方法形成對(duì)比，例如軟光刻，由于衍射或脫模限制，縱橫比更多在10左右。▲ 圖3 通過打印多層材料來控制通道高度。去除墨水后通道橫截面的圖片。通道是通過多次打印相同的單線圖案獲得的：1、2、3、10、20和40層相互疊加。▲ 圖4 作為層數(shù)的函數(shù)的通道的測(cè)量高度。類似地，可以通過打印幾條彼此相鄰的平行線來調(diào)整通道的寬度。在這種情況下，隔行，即每條線之間的距離對(duì)所得通道的高度和形狀有影響，如下圖所示 。在40和80μm之間改變隔行會(huì)導(dǎo)致通道高度在75和110μm之間。研究人員在大多數(shù)打印通道的頂部觀察到一個(gè)小凹陷。如圖5-f所示，如果隔行太大，則會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重的變形。相反，如圖5-g所示，如果隔行太小，由于液滴在凍結(jié)前聚集在一起的趨勢(shì)，通道形狀會(huì)發(fā)生完全扭曲。在接下來的研究中，行距將固定為40μm。▲ 圖5 行間長度對(duì)通道形態(tài)的影響。( a - f ) 通過打印3層相同圖案獲得的通道，由5條平行線組成。隔行分別為40、50、60、70、80 μm。( g ) 通過打印5層10條平行線獲得的通道，隔行為35μm。（比例尺50μm）。
在其基本形式中，大多數(shù)微制造方法僅允許平面結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)通道不能在沒有通信的情況下相互交叉的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)必須以2D形式繪制，因?yàn)榇蠖鄶?shù)3D結(jié)構(gòu)無法在不撕裂材料的情況下脫模。▲ 上：在單個(gè)打印步驟中制作的交叉通道模具和由此產(chǎn)生的PDMS微流控芯片。兩個(gè)交叉的通道充滿了紅色和藍(lán)色墨水。通道寬度為200μm。下：使用RPVM方法通過一層打印獲得的組合混合器的圖示。通常，這些電子元件不能以其工業(yè)通用形式直接使用，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)技術(shù)缺乏通用性。即使是基本的組裝步驟，例如讓部件與通道接觸，也可能**困難。例如，等離子鍵合需要干凈且平坦的基板。RPVM方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是無需成為專家或訪問技術(shù)平臺(tái)即可創(chuàng)建先進(jìn)的微流體系統(tǒng)。▲ 上：通過 RPVM 集成在微流體通道中的叉指金電極。下：當(dāng)通道充滿去離子水和緩沖溶液時(shí)復(fù)阻抗的幅度。參考文獻(xiàn)：
[1] Brossard R , Brouchet T , Malloggi F . Replication of a Printed Volatile Mold: a novel microfabrication method for advanced microfluidic systems[J]. Scientific Reports.
