SUTD利用3D打印将电子设备集成到微通道中

2024年9月1日，南极熊获悉，新加坡科技设计大学（SUTD）软流体实验室的研究人员宣称，他们成功解决了从传统二维结构向三维结构过渡中的挑战。这一进展不仅推动了微流体技术的发展，还为微流控设备的自动化生产铺平了道路。

该论文的主要作者、新加坡科技设计大学的Kento Yamagishi博士表示：“借助该技术，我们能够自动化地制造由液态金属组成的、能够在三维空间中配置的、可拉伸的印刷电路。这种电路设计不仅可以在三维空间中构建，还具备一定的柔性，能够承受拉伸变形，同时其制造过程可以实现自动化。

△该研究已发表在《先进功能材料》杂志上，题目为“使用直接打印3D微通道网络的柔性和可伸缩液态金属微流体电子器件”（传送门）

技术研发背景

传统的2D微流体设备制造方法，如需要洁净室设施的软光刻技术，在实现全自动3D互连微通道时存在局限性。特别是涉及的手动程序，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）成型和层对层对准，严重阻碍了微流控设备生产的自动化潜力。

在这一领域，光聚合技术，如立体光刻设备（SLA）和数字光处理（DLP），尽管能够创建复杂的微通道并实现柔性设备，但在光基打印过程中集成电子元件等外部组件仍面临挑战。同时，基于挤压的熔融沉积成型（FDM）和直接墨水书写（DIW）方法虽然支持自动化制造，但在打印弹性空心结构时面临诸多困难，特别是在找到既具备柔软度又具备结构完整性的墨水方面。

SUTD的研究团队的最新成果展示了一种新型的3D打印技术，该技术突破了现有技术的限制，实现了无需支撑材料或后处理的多层微通道直接打印，同时支持电子元件的集成。这一进展使得微流体设备的生产更加高效，并为未来的集成微流体和电子设备的创新应用提供了新的可能性。

△SLA和DLP 3D打印部件示意

直接打印互连多层微通道

在研究过程中，DIW 3D打印的设置经过优化，以硅酮密封胶创建了无支撑的空心结构，确保了挤出的结构稳定性。研究团队进一步扩展了这一技术，成功制造了具有层间通孔的互连多层微通道，这种几何结构对于无线通信天线等电子设备至关重要。

电子元件集成

在3D打印过程中，将电子元件集成到微通道中是一项挑战，因为使用瞬间固化的树脂很难实现这一目标。为此，研究团队采用了逐渐固化的树脂，以便在打印过程中嵌入并固定小型电子元件，如RFID标签和LED芯片。在液态金属通过微通道注入时，这些元件能够与通道自对准，从而实现元件与电线的自组装。

这项技术的含义

虽然，许多电子设备需要3D结构中的导线，例如线圈中的跳线，而传统的3D打印方法很难实现这一点。SUTD的研究团队提出了一种简单的解决方案，通过将液态金属注入包含嵌入式电子元件的3D多层微通道，促进了导线与这些元件的自组装，从而简化了柔性和可拉伸液态金属线圈的制造。

为了证明该技术的实际优势，团队使用了市场常见的皮肤胶带作为基材，并制作了一款体积小巧（21.4毫米×15毫米）的独立式柔性无线发光装置，作为可以附着在皮肤上的RFID标签。

首次实验表明，该解决方案能够在广泛接受的、医学认可的平台上自动生产可拉伸的印刷电路。制造的RFID标签即使在经历1000次拉伸应力循环（50%应变）后，仍表现出较高的Q因子（约70），显示了在反复变形和贴附皮肤情况下的稳定性。此外，研究团队还设想将小型、灵活的无线光电子器件用于生物表面和管腔上的医疗植入物，应用于光动力疗法。

SUTD副教授兼首席研究员Michinao Hashimoto表示：“弹性多层微通道的DIW 3D打印技术将能够自动制造具有3D通道排列的流体装置，包括多功能传感器、多材料混合器和3D组织工程支架。”