[发明专利]纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及微流控芯片，特别是涉及一种纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印方法及装置。

背景技术

微流控一词出现在20世纪90年代初,指的是在微米尺度上操作和控制流体的技术。经过20多年的发展，微流控技术从最初的单一功能的流体控制器件发展到了现在的多功能集成、应用非常广泛的微流控芯片技术,在分析化学、医学诊断、细胞筛选、基因分析、药物输运等领域得到了广泛应用。相比于传统方法,微流控技术具有体积小、检测速度快、试剂用量小、成本低、多功能集成、通量高等特点。

近年来，越来越多的研究者尝试采用3D打印技术直接打印制作微流控芯片。3D打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为增材制造(AM，Additive Manufacturing)。3D打印技术主要应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。

将3D打印的技术优点与微流控芯片的制造相结合，可以显著简化微流控芯片的加工过程,在打印材料的选择上也非常灵活,除了各种聚合物材料外,还可以直接打印生物材料。一般情况下，微流控芯片的3D打印过程只需在设计完成后直接打印微流控芯片即可,相比于其它微加工技术,极大地降低了微流控芯片的技术门槛和加工成本,对微流控芯片技术的推广应用有着非常积极的意义。3D打印微流控芯片技术在生物医学检测领域的应用发展迅速,出现了很多用于细胞分析检测、药物输运、生物传感等领域的3D打印微流控芯片。

但3D打印微流控芯片目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。

因此，需要探索制作成本低廉、工艺简易快速、功能化应用广泛、生物兼容性好的微流控芯片制作材料。纸是多孔性、亲水性的纤维材料，具有成本低廉、操作性强、生物兼容性好、功能性强、后处理简单等特点。利用纳米纤维纸研制的纸基微流控芯片及其应用现已成为微流控芯片技术研究的新领域。纸基微流控芯片可以作为微型化、便携式的现场快速检测器件，将在医学快速诊断、食品安全快速检测以及环境质量快速监控等领域具有巨大潜在应用价值(丁超群，吴雪娥，陈晓东.基于石蜡庚烷溶液的低成本纸基微流控分析装置的制备及其应用[J].应用化学,2014,31(4):444-449)。

目前，纸基微流控芯片的制造多为单层纸基上的二维结构，或者通过单层纸基折叠的方式实现一些结构较为简单的3D结构，方法不够灵活，对折叠的精度要求较高，而且需要额外夹紧装置来减小层与层之间的空隙(David M.Cate,Jaclyn A.Adkins,Jaruwan Mettakoonpitak,and Charles S.Henry.Recent Developments in Paper-Based Microfluidic Devices.Analytical Chemistry,2015,87(1),19–41)。本发明提出一种在纳米纤维纸基上制造微流控芯片的3D打印方法及装置，可以通过直接打印纳米纤维纸基和疏水材料图案的方式叠层制造，使得层与层之间紧密连接，不需要额外的夹紧装置来减小层间隙，降低了制造成本、简化了制造工艺，促进了3D打印技术在微流控芯片领域中的应用。

发明内容

本发明的目的在于为了降低微流控芯片的制造成本，简化制造工序，提供纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印方法及装置。

本发明的另一目的在于提供纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印装置。

所述纳米纤维纸基叠层制造微流控芯片的3D打印方法包括以下步骤：

2)利用静电纺丝方法在收集板上沉积得到致密性良好的纳米纤维纸基；

2)将沉积有纳米纤维纸基的收集板移动至疏水材料喷印区域，加热3D打印喷头并保持在合适的温度，使得3D打印喷头中的疏水材料保持熔融状态，并具有合适的喷印粘度；再加入电场，在电场力的作用下，使得疏水材料纤维向下喷射，调节收集板的移动速度并按照特定的路径运动，构成疏水材料纤维图案；

3)在外部计算机辅助下，设计每层疏水材料纤维图案，通过纳米纤维纸基和疏水材料纤维图案不断叠层的3D打印方式，构造微流控芯片的结构；