微流控芯片在個(gè)性化診療、環(huán)境和食品檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)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(dòng)膜腔結(jié)構(gòu)和功能化納米纖維等），這使得其能夠進(jìn)行復(fù)雜的流體操作和高通量檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)室常用的3D微流控芯片主要采用軟光刻、對(duì)準(zhǔn)、鍵合等多步工藝進(jìn)行制造，該過(guò)程流程繁瑣，環(huán)境潔凈度要求高，且對(duì)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(jì)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(zhǎng)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(shí)常遇到通道堵塞的常見(jiàn)問(wèn)題。此外，懸垂結(jié)構(gòu)（可動(dòng)膜、懸臂梁等）的3D打印也面臨著犧牲層去除時(shí)由液體表面張力引起的結(jié)構(gòu)塌陷問(wèn)題。

近期，廈門(mén)大學(xué)孫道恒教授團(tuán)隊(duì)提出了一種實(shí)用的增材制造策略——納米纖維自支撐增材制造（NSCAM）方法，通過(guò)交替使用靜電紡絲和電流體動(dòng)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(guò)直寫(xiě)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(gè)制造過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)一體化制備3D微流控芯片，同時(shí)避免了去犧牲層和對(duì)準(zhǔn)鍵合流程。作為演示，該研究制作并測(cè)試了一個(gè)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(dòng)膜結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了該方法的可行性和優(yōu)勢(shì)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(xiě)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(xiě)墨水（（也被稱(chēng)為“筑型流體”））噴印在納米纖維上，保證膜的滲穿；（iii-iv）通過(guò)靜電直寫(xiě)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(guò)程中，靜電紡絲和靜電直寫(xiě)交替進(jìn)行。通過(guò)靜電紡絲形成的納米纖維被用作多孔基底，靜電直寫(xiě)墨水（也被稱(chēng)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(dāng)基板保持溫度設(shè)置為90℃時(shí)，最小穿透深度為~45 μm。

在NSCAM過(guò)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(shí)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(shí)，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(shí)，通過(guò)控制筑型流體的縱向穿透距離來(lái)形成通道。重復(fù)這兩個(gè)過(guò)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(guò)程中，分別交替進(jìn)行1次、2次和3次靜電紡絲和靜電直寫(xiě)以創(chuàng)建不同高度的單層微流控通道；（c）工作流體通過(guò)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(guò)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(guò)增加交替靜電紡絲和靜電直寫(xiě)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(lán)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(dòng)，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(lái)，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(jì)結(jié)構(gòu)尺寸；（c-d）工作原理；（e）打印的閥芯截面；（f）可動(dòng)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(shì)性，該研究制備了一個(gè)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(dá)為15。當(dāng)向控制通道施加氣壓時(shí)，可動(dòng)膜向連接流道層偏轉(zhuǎn)。隨著控制壓力的增加，位移達(dá)到最大點(diǎn)，此時(shí)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(dāng)控制通道中的空氣壓力從0 kPa增加到64 kPa時(shí)，位于膜中心的最大偏轉(zhuǎn)點(diǎn)達(dá)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(dòng)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(gè)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(shí)納米纖維膜被極大壓縮，可被視為無(wú)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(píng)估閥門(mén)的動(dòng)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(dāng)控制壓力從0 kPa上升到35 kPa時(shí)，連接層流道過(guò)流截面減小，電流值從500 μA下降到250 μA，壓力負(fù)載和電流變化之間的延遲約為52.6 ms。接著對(duì)閥門(mén)開(kāi)展了頻率為0.15 Hz的循環(huán)測(cè)試，在高于100次重復(fù)加載-卸載測(cè)試中未見(jiàn)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(guò)程中由溶劑揮發(fā)或樹(shù)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(guò)靜電直寫(xiě)實(shí)現(xiàn)每層切片的微尺度圖案化。文章研究了直寫(xiě)墨水在電紡納米纖維中的鋪展?jié)B透規(guī)律，實(shí)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(shí)現(xiàn)~50ms的快速開(kāi)關(guān)響應(yīng)。

審核編輯：劉清