3D打印液滴乳剂微流控芯片

来源：增材之光

在'利用Ninjaflex长丝3D打印一种能产生液滴乳剂的微流控芯片'的论文中，来自阿肯色大学的罗伯特·安德鲁斯为他的论文项目和论文打印了一种新颖的微流体系统。使用NinjaFlex长丝，该过程以液滴乳剂和生物医学（生物微机电系统）项目为中心。

液滴乳剂法
该项目的另一个主要元素是开发芯片实验室，同时深入研究小型化（技术缩小到更小的环境中），具有以下优点：
•减少必要的样本量
•缩短实验室流程的反应时间
•实验室流程的移动性更强

在芯片实验室方案中，规模大约为10-1000微米，但制造这种环境的许多常见工艺耗时且成本昂贵，这就是为什么3D打印是如此具有吸引力的小型化介质的原因。安德鲁斯指出需要合适的流体流动，这种流体流动发生在压力梯度或柔性膜片上，并且必须沿微流体通道流动。

“根据隔膜的材料和厚度，需要不同的压力和频率才能达到一定的流速。”安德鲁斯表示，“作为旁注，这些隔膜既可用于改变微通道的宽度，或在压力超过某一临界值时用作止回阀（足以使隔膜的位移等于微流体通道的直径）。”

在他的论文项目中，安德鲁斯在设计微芯片的同时，也在研究打印工艺的局限性。微流体液滴分离器将在一系列应用中发挥作用，包括血液监测（用于凝块）、食品安全化学检测以及在药物中发现新药物。作者还指出，与更传统的方法相比，使用NinjaFlex长丝创建一个系统是多么有益。

“NinjaFlex长丝而不是ABS中的3D打印对于生成微流体系统的特定应用具有一个固有的优势。NinjaFlex长丝的杨氏模量为12 MPa，而ABS的杨氏模量为2.05 GPa。这导致ABS的刚度大约是NinjaFlex的170倍。”安德鲁斯写道。

“这种刚度降低有利于微流体系统的制造，因为这些系统可能需要执行器来弯曲，以产生流体流动。在Ninjaflex中产生偏转所需的压力要比在几何相似的ABS样品中产生相同的偏转所需的压力小得多。”

通过“反复试验”，安德鲁斯能够找到制造芯片的最佳打印参数。还有一些关于芯片设计的担心，关于主要的堵塞缺陷，第一次打印有点粗糙，包括：
•打印质量失真
•出口堵塞
•芯片太厚
•微通道或隔膜不可见

“就3D打印机本身而言，人们注意到在这种挤出机温度下经常发生堵塞。”作者表示， “因此，温度升高到250摄氏度。在挤出机温度下，发生堵塞的频率要低得多。关于下一次迭代中的设计更改，芯片顶部在零件文件中移除，使通道可以从上面看到。微芯片的顶部不是由Ninjaflex构成，而是由玻璃芯片覆盖。”

Angled Junction Version 3芯片是第一个用于液滴乳化的芯片，因为用绿色食品染料着色的水被过滤以确保通道没有被堵塞。微通道变绿了，但安德鲁斯指出长丝和玻璃之间的粘合不是很好。水从芯片中泄漏出来，最终从基板上分离出来。

微芯片首次打印的底视图

在继续精炼之后，安德鲁斯能够降低流量，同时油侧压力保持相同的水平。随后，每隔一段时间就会产生“大小一致”的液滴。

左侧油滴形成的油侧压力为2.5磅/平方英寸，水流速为25微升/分钟。

“微芯片的最终设计有多种改进方法。首先，可以减小通道的直径以减小液滴的尺寸。但是，通道不能太小以致于被阻塞。而且，隔膜可以在出口通道的任一侧上实施。通过驱动这些隔膜，可以改变微通道尺寸，从而精确地控制液滴的尺寸。芯片可以做得更厚，以使管接头有更多的表面可以抓住。”安德鲁斯总结道。

“实验的总体设计也可以改进。与使用氮气罐作为压力源相比，使用注射泵可以更好地产生油流量。由于泵送油不需要太大的压力，而氮气罐不够精确，无法产生可靠且稳定的油流量。”

未来的研究和工业创新形式多种多样，但可能与我们许多人想象的不同；例如，从小型化到流动通道小型化到连续流动反应器，以及用于小型化和微流体的不同材料和工艺，小型化正变得越来越普遍。