3D打印微流控芯片技术研究进展

材料适应性广、成本低廉等优势。本文针对近年来国内外在3D打印微流控芯片领域的最新进展进行了综述，着重介绍了采用微立体光刻、熔融沉积成型以及喷墨打印等3D打印技术加工制作微流控芯片的方法，以及这些微流控芯片在分析化学、生命科学、医学诊断等领域的应用，并对3D打印微流控芯片技术未来的发展进行了展望。

关键词 微流控； 3D打印； 细胞生物学； 评述

1 引 言

微流控（Microfluidics）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[1]。经过二十多年的发展，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[2，3]、医学诊断[4，5]、细胞筛选[6，7]、基因分析[8，9]、药物输运[10，11]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。

目前，用于制作微流控芯片的微加工技术大多继承自半导体工业，其加工过程工序繁多，且依赖于价格高昂的先进设备。在微流控芯片的制作中常用的加工方法包括：硅/聚合物表面微加工[12]（Surface Micromachining）、软印[13]（Softlithography）、压印[14]（Embossing）、注射成型[15]（Injection modelling）、激光烧蚀[16]（Laser ablation）等。这些加工过程都需要在超净间内完成，工序复杂，需占用大量空间， 且需要富有经验的设计和加工人员[17]。

近年来，随着3D打印技术的兴起，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，或者打印出可以使用PDMS倒模的微流控芯片的模具。采用3D打印技术，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[18，19]。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。近年来，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[20～22]、药物输运[23]、生物传感[24，25]等领域的3D打印微流控芯片。

（A）微流控领域收录在Web of Science核心合集的文献数量；（B）3D打印微流控技术领域收录在Web of Science核心合集的文献数量。

（A） Publications indexed in Web of Science Core for microfluidics； （B） Publications indexed in Web of Science Core for 3D printed microfluidics.

图1展示了从2004年到2015年11月，收录在Web of Science核心合集中的微流控技术领域的文献数量以及3D打印微流控芯片领域的文献数量。可以看到，在此期间微流控技术得到了快速稳步发展；同时，3D打印微流控芯片技术的发展也是方兴未艾，2013年以来增速逐步加快。

本文将着重介绍近年来几种发展较快和较为常见的3D打印微流控芯片技术，包括微立体光刻技术、熔融沉积成型技术以及3D喷墨打印技术，对这几种技术在分析化学、生物医学检测等领域的应用进行了综述，并对3D打印微流控芯片技术在未来的发展进行了展望。

2 3D打印微流控芯片技术简介

2.1微立体光刻技术在微流控芯片加工中的应用

微流控芯片的加工技术大多脱胎于半导体制造技术。然而，可用于微流控芯片加工的微立体光刻技术（μSL）却是源自于工业设计领域的立体光刻技术（Stereolithography， SLA）。微立体光刻技术是通过控制曝光光源，对光敏树脂进行逐层曝光固化、层层叠加而形成的三维立体结构。虽然微立体光刻技术并没有真的“打印”出需要的结构，但是其通过对液体光敏树脂的选择性逐层固化来实现微器件的加工过程非常类似于3D打印，所以本文也将微立体光刻技术归于可用于3D打印微流控芯片的技术之一。

立体光刻技术从诞生到现在已经有三十余年的历史[26]。早期的立体光刻技术，由于精度的限制，不适用于微加工领域。近年来，随着技术的进步，立体光刻技术被逐渐应用于微加工领域，常见的台式微立体光刻设备已经能够达到200 μm的精度[27，28]。新近出现的基于双光子聚合效应（Twophoton polymerization， 2pp）的微立体光刻技术[29，30]，可以将精度提高10 μm。

由于制造方法便捷和拥有较高的精度，越来越多的研究者开始将微立体光刻技术应用于微流控芯片的加工中。同时，可用于微立体光刻的光源也不仅限于紫外光源（UV）[26，31，32]，很多研究者开始尝试使用LED[33，34]、激光[35～37]等作为固化光敏树脂的光源。伴随着曝光光源的多样化，可用于微立体光刻的光敏树脂也不再局限于紫外光敏感的环氧树脂类和丙烯酸酯类聚合物材料，近年来， 研究者开始尝试使用聚富马酸二羟丙酯（PPF）、富马酸二乙酯（DEF）[38]、Accura60[39]等新型聚合物材料。