墨水直写3D打印技术可实现高效、低成本制造微流控器件

来源：MEMS

微流控器件由于其具有体积小、响应速度快和检测灵敏度高等特点，被广泛用于生物医药、化学合成、农业治理和环境检测等领域。随着现代增材制造技术的飞速发展，3D打印技术为微流控器件制造提供了一种更具吸引力的解决方案。与传统微加工技术相比，3D打印技术具备设计加工速度快、材料适应性广和成本低等优势。

目前，利用3D打印技术制造微流控器件的主要方法包括立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）、熔融沉积成型（FDM）和墨水直写（DIW）等。FDM和DIW技术主要基于材料挤出方法，制造工艺相对简单，在材料适应性和成本等方面更具优势，是3D打印微流控器件较为理想的选择。不过，大部分利用FDM方法制造的微流控器件是不透明的或半透明的，面临着后处理过程复杂且耗时等难题，一定程度上限制了其实际应用。

据麦姆斯咨询报道，近期，沈阳农业大学和辽宁省农业信息化工程技术研究中心的研究团队共同提出了一种基于DIW方法的3D打印技术，为微流控器件的制造提供了一种高效且低成本的解决方案。该研究成果已发表于Scientific Reports期刊。

该项研究中，用于3D打印微流控器件的材料是来自美国道康宁（Dow Corning）的Dowsil 732，它在各个行业中被用作密封剂或封装剂。研究团队评估了Dowsil 732的固化时间和表面疏水性，证明了其适用于微流控器件的生产制造。

（A）Dowsil 732在不同温度下的固化时间；（B）Dowsil 732在不同湿度下的固化时间；（C）Dowsil 732表面液体的接触角测量。

为了确保获得高精度的微通道结构，研究团队在55-70psi的压力范围内分别测量了340μm和420μm喷嘴的挤出速度，并分析了印刷压力和印刷速度对通道壁精度的影响，进而根据实测数据建立了以印刷压力和速度为输入，以微通道壁精度为输出的打印参数优化模型。观察结果表明，模型的预测值与实验数据非常匹配，精度超过95%，能够有效反映印刷速度、印刷压力和通道壁精度的变化趋势。因此，该模型可用于预测微通道壁的3D打印结果。

（A）通道实际打印宽度与340μm喷嘴设计尺寸的对比图；（B）通道实际打印宽度与420μm喷嘴设计尺寸的对比图；（C）由340μm喷嘴打印的直通道示意图；（D）由340μm喷嘴打印的弯曲通道示意图。

为了进一步证明Dowsil 732材料3D打印的多功能性，研究团队演示了三个打印实例——微混合器、浓度梯度发生器和液滴发生器，验证了该制造方法的可行性。

微流控器件的印刷工艺示意图

利用340μm喷嘴打印的微流控器件：（A）微混合器；（B）浓度梯度发生器；（C）液滴发生器。

研究结果表明，基于材料挤出工艺的3D打印技术，有效降低了微流控器件制造的资金和技术门槛，为设计制造兼具透明度和时间效益的微流控器件提供了一种极具吸引力的解决方案。

论文信息：https://doi.org/10.1038/s41598-022-05350-4