唐文來 樊寧 李宗安 項楠 楊繼全

摘?要?提出了一種基于3D打印犧牲陽模的異型截面微流道便攜加工方法，以探究流道截面對微粒慣性聚焦行為的調(diào)控作用。利用皮秒激光切割技術(shù)加工任意形狀的噴嘴微孔，借助桌面級FDM打印機可方便地制造出所需的異型截面流道陽模。結(jié)合通用的PDMS倒模復(fù)制技術(shù)和陽模溶解技術(shù)，可在無需鍵合密封工藝的情況下獲得完整的PDMS微流控芯片。為驗證本方法的有效性，設(shè)計并成功加工出具有方形、半橢圓形和三角形截面的微流道，發(fā)現(xiàn)可通過控制打印材料的擠出量靈活調(diào)整加工流道截面的尺寸。最后，搭建了實驗平臺系統(tǒng)， 研究微粒在半橢圓形和三角形微流道內(nèi)的慣性聚焦行為，以探究異型截面在微粒慣性操控方面的影響機制。結(jié)果表明，隨著流體流量的逐漸增加，在半橢圓形和三角形流道內(nèi)的微粒將逐漸橫向遷移運動至靠近流道截面邊長的中心附近，最終形成3個穩(wěn)定的平衡位置。

關(guān)鍵詞?微流控; 3D打印; 微粒操控; 慣性聚焦; 微加工

1?引 言

通過構(gòu)建微米級的流道網(wǎng)絡(luò)，微流控技術(shù)將生命科學(xué)研究中所涉及的采樣、預(yù)處理和分析表征等實驗過程集成在一塊幾平方厘米的芯片上[1，2]。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，微流控芯片具有樣品消耗低、處理時間短和檢測精度高等優(yōu)點，已經(jīng)成為開發(fā)新一代現(xiàn)場即時檢測（Point-of-care testing， POCT）儀器的研究熱點和主流技術(shù)[3]。作為核心功能單元，樣品中檢測對象（微納米生物粒子）的聚焦、分離和捕獲等操控，將直接影響預(yù)處理的效果與表征結(jié)果的準確性，從而影響整個POCT儀器的功能實現(xiàn)和性能指標。為此，研究人員通過引入光[4]、電[5]、聲[6]、磁[7]等外場作用，或利用特殊微結(jié)構(gòu)及其誘導(dǎo)產(chǎn)生的微流體效應(yīng)[8]，開發(fā)出多種不同功能應(yīng)用的片上操控技術(shù)。其中，慣性微流控技術(shù)巧妙利用微尺度流體的慣性效應(yīng)和微結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)產(chǎn)生的Dean渦流作用，實現(xiàn)微粒運動狀態(tài)和平衡位置的精確控制，具有所需流道結(jié)構(gòu)簡單、無需借助外場及處理通量高等顯著優(yōu)勢，在微型化POCT儀器中具有良好的應(yīng)用前景[9]。

自2007年由哈佛大學(xué)Toner等[10]首次提出慣性微流控技術(shù)以來，其在流道的拓撲結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和功能應(yīng)用拓展方面得到了飛速發(fā)展。然而，受限于經(jīng)典軟光刻技術(shù)的垂直曝光工藝，現(xiàn)階段慣性微流控技術(shù)的研究仍主要集中于常規(guī)的矩形截面微流道。慣性操控的機理研究成果表明，微流道的截面形狀直接影響微粒慣性聚焦平衡位置的數(shù)量和具體坐標[11]。為此，研究人員近年嘗試將一些特殊的流道陽模加工方法與常規(guī)的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane， PDMS）倒模復(fù)制技術(shù)進行結(jié)合，制造出具有三角形[12]、半圓形[13]和梯形[14]等異型截面的微流道，以拓展流道截面形狀對微粒慣性操控影響機制的理解。然而，現(xiàn)有的這些加工方法僅能用于制作特定截面形狀的微流道，并且存在加工工藝復(fù)雜等共同缺陷。另外，復(fù)制陽模得到PDMS微流道后仍需與玻璃基底進行鍵合密封，不易實現(xiàn)微流控芯片與微機械、微電子和微傳感器等其它功能單元的集成。

近年來，可任意形狀成型的3D打印技術(shù)迅速崛起，為微流道及微流控芯片的加工提供了一種全新的思路[15]。研究人員采用3D打印技術(shù)直接制作微流控芯片[16～18]，或打印可供PDMS倒模的流道陽模[19，20]。與傳統(tǒng)的微流控芯片加工方法相比，3D打印技術(shù)有效簡化了加工流程， 并顯著降低了技術(shù)門檻和加工成本。然而，現(xiàn)階段3D打印技術(shù)在微流控芯片加工中的應(yīng)用主要集中在復(fù)雜空間流道結(jié)構(gòu)的構(gòu)建上，而對于異型截面流道的3D打印制造仍鮮見報道。鑒于此，本研究提出一種基于3D打印犧牲陽模的異型截面微流道便捷加工方法。利用皮秒激光切割技術(shù)加工任意形狀的噴嘴微孔，采用桌面級的FDM打印機即可方便地打印出具有各種異型截面的丙烯晴一丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile butadiene Styrene， ABS） 流道陽模，結(jié)合常規(guī)的PDMS倒模復(fù)制技術(shù)和ABS溶解技術(shù)，能夠方便地獲得無需鍵合、易于嵌入功能器件的PDMS微流控芯片。

2?實驗部分

2.1?儀器與試劑

QS-PICOUV皮秒激光器（江陰德力激光設(shè)備有限公司）; YF-FW300連續(xù)光纖激光焊接機（蘇州盈飛激光技術(shù)有限公司）; HOFI X1 FDM打印機（南京寶巖自動化有限公司）; KDS270精密注射泵（美國KD Scientific公司）; IX71倒置熒光顯微鏡（日本Olympus公司）; EXi Blue CCD相機（美國Qimaging公司）。

聚二甲基硅氧烷（PDMS，美國Dow Corning公司）; 聚苯乙烯微粒（直徑為15 μm，上海輝質(zhì)生物科技有限公司）; 磷酸鹽緩沖液（PBS）、吐溫20 （美國Sigma Aldrich公司）。

2.2?實驗方法

2.2.1?ABS流道陽模打印?為實現(xiàn)具有異型截面的流道陽模打印，在擠出噴嘴的頂端加工出不同形狀的微孔，對常規(guī)的桌面級FDM打印系統(tǒng)進行改進，如圖1所示。流道陽模打印時，選用直徑為1.75 mm的ABS圓截面絲材作為原材料，將噴嘴加熱至230℃后擠出成型，形成流道陽模。在ABS擠出的整個過程中，將打印陽模的末端固定在打印平臺上，通過匹配ABS擠出量與打印平臺向下移動的距離，控制ABS擠出的速度低于打印平臺向下運動的速度，從而保證打印流道陽模的直線度。為克服現(xiàn)有FDM噴嘴圓形微孔只能擠出圓截面絲材的缺陷，提出一種基于皮秒激光切割技術(shù)的噴嘴微孔形狀定制加工方法（如圖1B所示）。首先，車削去除標準303不銹鋼噴嘴的尖端，露出直徑為4 mm的圓形平臺。然后，根據(jù)設(shè)計的流道截面（具體形狀和尺寸參見3.1節(jié)），利用皮秒激光器在100 μm厚的304不銹鋼薄片上打孔，并以微孔為中心將不銹鋼薄片切割成直徑為4 mm的圓片。將304不銹鋼圓片和303不銹鋼噴嘴放入丙酮中超聲清洗10 min，取出吹干后，將兩者對準，利用連續(xù)光纖激光焊接機沿圓片四周進行焊接密封，最終獲得的改進噴嘴實物如圖1C所示。在上述噴嘴制造過程中，利用皮秒激光切割技術(shù)可根據(jù)需求靈活地加工出不同形狀和尺寸的微孔。將改進噴嘴安裝到FDM打印機上進行ABS擠出時，噴嘴上微孔的輪廓限制了熔融ABS材料的橫向流動，從而將設(shè)計的流道截面形狀轉(zhuǎn)移至擠出的ABS流道陽模截面上。

2.2.2?PDMS微流控芯片加工

打印獲得微流道的ABS陽模后，結(jié)合經(jīng)典的PDMS澆注技術(shù)和ABS溶解技術(shù)實現(xiàn)PDMS微流控芯片的加工，如圖2所示。首先，將PDMS預(yù)聚體和固化劑以質(zhì)量比10∶1進行均勻混合，抽真空脫氣后備用。將部分PDMS混合液轉(zhuǎn)移至4英寸培養(yǎng)皿內(nèi)，在80℃烘箱中保持1 h后固化形成5 mm厚的PDMS基底。將打印好的ABS流道陽模水平固定于PDMS基底的上表面，澆注更多的PDMS混合液，并在80℃烘箱中繼續(xù)保持1 h，在ABS陽模的上方固化形成另一層5 mm厚的PDMS。將固化后的PDMS從培養(yǎng)皿中取出，在四周沿距離流道陽模5 mm處進行切片，并利用打孔器在ABS流道陽模的兩端加工通孔。將獲得的PDMS塊浸入丙酮溶液，進行多次超聲清洗來溶解嵌在PDMS內(nèi)部的ABS流道陽模。采用去離子水超聲清洗并吹干后，在PDMS塊通孔的一側(cè)注入少量PDMS混合液并固化密封，得到完全由PDMS構(gòu)成的微流控芯片。為了能夠從側(cè)面觀察微流道內(nèi)的微粒運動情況，在芯片的側(cè)向切面上涂覆少量PDMS混合液并將切面貼合載玻片進行固化，用于消除切面上的劃痕以提高微流控芯片的側(cè)向光學(xué)成像性能。由于微米尺度的ABS陽模溶解耗時較長（約4 h），并且在微流控芯片的加工過程中需進行多次PDMS固化處理，造成微流控芯片的整個加工周期長達8 h，可采用批量加工的方式縮短單個芯片的加工時間。

2.2.3?微粒慣性聚焦實驗平臺的搭建?為了驗證流道截面形狀對微粒慣性聚焦行為的調(diào)控作用，搭建了實驗觀測平臺對微粒在微流道內(nèi)的遷移運動規(guī)律進行表征。將微流控芯片的入口和出口分別通過PTFE導(dǎo)管與裝有微粒懸浮液的注射器和廢液管連接，并將注射器裝載在精密注射泵上用于穩(wěn)定驅(qū)動微粒懸浮液。將微流控芯片水平或垂直固定于倒置熒光顯微鏡的載物臺上，分別用于觀測微流道內(nèi)微粒在正向和側(cè)向上的運動。利用10倍物鏡和熒光觀測模塊，結(jié)合14位高速CCD相機及配套軟件，對微粒在微流道內(nèi)的運動情況進行明場和熒光觀測，并將微粒的動態(tài)運動過程存儲為圖像序列。隨后，利用開源軟件ImageJ對獲得的微粒運動圖像序列進行處理，定量分析微粒在異型截面微流道內(nèi)的慣性遷移運動規(guī)律。具體步驟如下：將同一實驗條件下的多張微粒運動明場和熒光圖像分別進行堆疊，獲得微粒在流道內(nèi)的統(tǒng)計分布以去除隨機因素的影響。將疊加后的明場與熒光圖像進行組合，確定熒光圖像中的流道壁面的位置。在熒光圖像上沿流道寬度方向繪制檢測線，并提取獲得沿檢測線的熒光強度分布曲線，用于量化表征微粒在流道內(nèi)的橫向分布情況。

3?結(jié)果與討論

3.1?異型截面微流道加工結(jié)果

為驗證提出的異型截面微流道加工方法的有效性，設(shè)計方形、半橢圓形和等腰三角形作為流道截面，并將所有圖形的高度與底邊長度均設(shè)為200 μm，以便進行比較。利用皮秒激光切割技術(shù)，將設(shè)計圖形轉(zhuǎn)移至打印噴嘴微孔后得到的顯微圖像（圖3A）。從圖3A可見，加工得到的噴嘴微孔形狀與設(shè)計圖形保持一致。由于切割微孔時采用圓形激光光斑，因此在噴嘴微孔的尖角處形成過渡圓弧。為定量分析噴嘴微孔的尺寸信息，對微孔面積進行測量并計算得到方形、半橢圓形和三角形的理論邊長分別為211、221和273 μm。需要說明的是，盡管加工得到的噴嘴微孔尺寸高于設(shè)計值，然而這些尺寸誤差并不影響后續(xù)微流道陽模的打印。采用特定形狀的噴嘴微孔擠出ABS材料時，通過匹配擠出量與打印平臺向下移動的距離，即可得到具有理想截面尺寸的微流道陽模。由于在流道陽模打印過程中始終保持擠出的ABS絲材處于拉直狀態(tài)，得到的流道陽模具有較好的直線度（如圖3B和圖3C所示）。打印獲得ABS流道陽模后，結(jié)合PDMS澆注技術(shù)與犧牲陽模溶解技術(shù)，得到的典型PDMS流道截面如圖3D所示，測得方形、半橢圓形和三角形流道截面的理論邊長分別為199、201和234 μm。對比PDMS流道截面和噴嘴微孔的形狀，發(fā)現(xiàn)微流道在截面的各邊中心處向外凸起。利用FDM技術(shù)打印流道陽模時，需通過擠出機向噴嘴內(nèi)的熔融ABS材料施加壓力。當通過擠出微孔離開噴嘴后，ABS材料內(nèi)部的應(yīng)力釋放將引起材料向外側(cè)膨脹。由于在噴嘴微孔各邊的中心附近存在相對較少的邊界約束，使得ABS材料在這些位置的橫向膨脹更加明顯，最終造成在微流道截面的各邊中心處產(chǎn)生凸起。由圖3D可見，盡管在流道截面的尖角處存在過渡圓弧、在各邊的中心處存在凸起，本研究提出的基于3D打印犧牲陽模的異型截面微流道加工方法能夠有效地將設(shè)計圖形轉(zhuǎn)移至微流道截面上。采用3D打印犧牲陽模加工微流道的另一個優(yōu)勢是可通過控制擠出ABS絲材的長度方便地調(diào)整加工微流道的長度。

3.2?多尺寸微流道加工結(jié)果

基于改進噴嘴擠出異型截面流道陽模方法的一個顯著優(yōu)勢是能夠利用同一噴嘴進行多尺寸流道的加工。采用指定改進噴嘴打印流道陽模時，控制ABS材料的擠出量或擠出長度即可方便地調(diào)整流道陽模的截面尺寸，而保持流道陽模的截面形狀不變。為了簡化打印工藝，將ABS絲材的擠出長度（即打印平臺向下移動的距離）固定為150 mm，僅通過控制ABS材料的總體擠出量進行流道陽模的多尺寸加工（擠出量與流道陽模理論邊長的平方成正比）。采用圖3A所示的半橢圓形噴嘴，設(shè)定不同ABS擠出量，打印獲得的半橢圓形流道截面顯微圖像如圖4A所示（圖中同時包含了對應(yīng)標準半橢圓形的理論邊長值）。盡管采用同一個打印噴嘴，在不同ABS材料擠出量的情況下得到的流道尺寸相差較大，半橢圓形流道截面的理論邊長從95 μm變化到262 μm。對比不同尺寸的微流道，發(fā)現(xiàn)流道截面的形狀仍保持一致。對于方形和三角形噴嘴而言，在不同ABS擠出量情況下加工微流道得到的結(jié)論與半橢圓形相似，計算得到方形、半橢圓形和三角形流道的截面理論邊長值如圖4B所示（圖中箭頭位置表示對應(yīng)打印噴嘴微孔的理論邊長），提出的基于3D打印犧牲陽模的微流道加工方法能夠利用單個噴嘴制造出不同尺寸的微流道。針對特定的打印噴嘴，能夠加工的最大流道尺寸由保持打印陽模拉直狀態(tài)的最大擠出量確定，而能夠加工的最小流道尺寸則依賴于打印平臺的穩(wěn)定性（打印平臺的振動將直接影響較小尺寸流道陽模的直線度）。具體而言，對于方形打印噴嘴（理論邊長為211 μm），加工得到流道截面的理論邊長范圍為84～254 μm。而對于三角形打印噴嘴（理論邊長為273 μm），加工得到的流道截面理論邊長范圍為97～322 μm。

3.3?微粒慣性操控實驗

為了驗證加工得到異型截面微流道在調(diào)節(jié)微粒慣性操控方面的有效作用，搭建了實驗平臺系統(tǒng)， 研究微粒在半橢圓形和三角形直流道內(nèi)的慣性聚焦行為。有限雷諾數(shù)情況下，當牛頓流體在微尺度直流道內(nèi)呈層流流動時，拋物線型的流速分布將在懸浮于流體內(nèi)的微粒上誘導(dǎo)產(chǎn)生一個指向流道壁面的剪切誘導(dǎo)慣性升力FS。而當微粒橫向運動至流道壁面附近時，流道壁的存在降低了微粒的運動速度，從而在微粒上誘導(dǎo)產(chǎn)生一個指向流道中心的壁面誘導(dǎo)慣性升力FW。上述方向相反的剪切誘導(dǎo)慣性升力和壁面誘導(dǎo)慣性升力的合力統(tǒng)稱為慣性升力FL=fLρU2ap4/Dh2[9]。其中，fL為慣性升力系數(shù)，ρ為流體密度，U為流體平均流速，ap為微粒直徑，Dh為流道水力直徑。當隨流體在微流道內(nèi)流動時，微粒將受到慣性升力的作用而橫向遷移運動至慣性升力為零的截面位置，從而形成穩(wěn)定的慣性聚焦。對于方形流道而言，微粒將在靠近流道截面邊長的中心附近形成穩(wěn)定的四個聚焦平衡位置[21]。已有大量研究者對方形流道內(nèi)微粒的慣性遷移運動規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，因此本研究不再討論流體在方形流道內(nèi)的分布情況以及微粒在方形流道內(nèi)的慣性聚焦行為。

根據(jù)上述慣性聚焦理論，選取平均直徑較大的15 μm聚苯乙烯熒光粒子作為測試微粒，選用長度為6 mm、具有較小尺寸的半橢圓形（理論邊長為121 μm）和三角形（理論邊長為116 μm）流道作為測試載體，以保證流經(jīng)微流道后的微粒能夠形成有效慣性聚焦。為避免微粒在受限微流道內(nèi)的相互干擾，配制極低濃度的微粒PBS懸浮液，并加入少量表面活性劑吐溫20，以減少微粒團聚及其在流道壁面上的黏附。在每次實驗前，向微流道內(nèi)持續(xù)通入無水乙醇30 min，清除流道內(nèi)的雜質(zhì)并排出微氣泡。實驗測試時，在50～300 μL/min的流量范圍內(nèi)（間隔50 μL/min）將微粒懸浮液注入微流道。觀測不同流量下流道出口處的微粒運動熒光圖譜，分析得到對應(yīng)的定量規(guī)格化熒光強度分布曲線如圖5所示，其中左側(cè)為流道正視圖， 右側(cè)為流道側(cè)視圖。為了能夠直接比較兩種微流道內(nèi)的微粒慣性聚焦情況，將半橢圓形和三角形流道的寬度與高度均歸一化為100 μm。從圖5可見，流體流量是調(diào)控微粒慣性聚焦特性的有效參數(shù)。當流量較低時，由于微粒所受慣性升力的作用相對較弱，在有限長的流道內(nèi)部分微粒尚未形成穩(wěn)定的慣性聚焦。而隨著流量增加，微粒在更強慣性升力的作用下逐漸穩(wěn)定聚焦在流道截面內(nèi)的平衡位置上。對于半橢圓形流道而言，流量較低時微粒在靠近流道截面的右下角處形成偽聚焦現(xiàn)象。這可能是由打孔時加工誤差造成在流道入口處微粒集中于流道右下角附近，并且在有限長的流道內(nèi)微粒未形成有效的橫向遷移。隨著流量逐漸增加至300 μL/min，聚集在流道右下角的微粒因受到更強的慣性升力作用而逐漸橫向遷移運動至穩(wěn)定的慣性聚焦平衡位置上。對于三角形流道而言，雖然在低流量時的微粒偽聚焦位置與半橢圓形流道存在較大差異，然而在高流量時的穩(wěn)定聚焦平衡位置數(shù)量與半橢圓形流道一致，即在水平方向上存在3個平衡位置，在垂直方向上存在2個平衡位置。進一步比較兩種流道內(nèi)微粒的穩(wěn)定聚焦平穩(wěn)位置，發(fā)現(xiàn)在水平方向上三角形流道內(nèi)的微粒聚焦位置更靠近流道中心，而在垂直方向上三角形流道內(nèi)的微粒聚焦位置則更靠近流道底部。

為進一步分析產(chǎn)生上述微粒慣性聚焦現(xiàn)象的潛在原因，采用多物理場有限元分析軟件COMSOL Multiphysics的層流模塊對半橢圓形和三角形微流道內(nèi)的流體流動情況進行仿真。首先，利用SolidWorks軟件建立流道三維模型并將其導(dǎo)入COMSOL中構(gòu)建微流道的幾何模型，定義流道壁面為無滑移邊界。將懸浮液簡化為水溶液（密度為1000 kg/m3、動力粘度為1 mPa·s），并將流體設(shè)置為不可壓縮流體。定義流道入口為層流流入，平均流速根據(jù)實驗測試流量與微流道截面的比值確定，入口長度為1 mm，流道出口壓力設(shè)置為0 Pa。采用細化的四面體網(wǎng)格劃分模型，求解穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程， 得到流量為300 μL/min時半橢圓形和三角形微流道截面上流體流速的分布情況。 如圖6所示（圖中填充圓形用來表示實驗測得的微粒聚焦平衡位置），流體的流速在流道中心附近最高，且沿著徑向距離的增加而逐漸下降至零，呈現(xiàn)出典型的層流流動特性。因此，在指向流道壁面的剪切誘導(dǎo)慣性升力FS和指向流道軸心的壁面誘導(dǎo)慣性升力FW共同作用下，微粒在靠近流道截面邊長的中心附近形成穩(wěn)定的3個平衡位置。需要注意的是，三角形微流道的3個慣性聚焦平衡位置與Kim等[13]報道的結(jié)論一致，然而半橢圓形微流道的3個慣性聚焦平衡位置則與Kim等[13]提出的半圓形流道有所不同。當微粒在半圓形微流道內(nèi)隨流體流動時，將在靠近流道頂部和底邊中心處形成2個穩(wěn)定的聚焦平衡位置。由于本研究采用的半橢圓形流道的截面高度是半圓形流道的2倍，造成半橢圓形流道內(nèi)的微粒慣性聚焦行為更加接近于形狀相似的三角形，而半圓形流道內(nèi)的微粒慣性聚焦行為則更加接近于形狀相似的低深寬比矩形流道[9]。從圖6可見，與半橢圓形流道相比，三角形流道內(nèi)的流體流速分布更加集中且向流道底邊偏移，從而造成微粒聚焦平衡位置在水平方向上向流道中心靠近、在垂直方向上向流道底邊靠近的現(xiàn)象。

4?結(jié) 論

提出了一種基于3D打印犧牲陽模的異型截面微流道便捷加工方法，利用改進的FDM打印系統(tǒng)制造異型截面流道ABS陽模，結(jié)合PDMS倒模復(fù)制技術(shù)和ABS溶解技術(shù)加工PDMS微流控芯片。采用皮秒激光切割技術(shù)可加工任意形狀的噴嘴微孔，并借助FDM打印機方便獲得具有異型截面的微流道陽模。另外，針對特定形狀的噴嘴微孔，可通過控制打印材料的擠出量或擠出長度靈活地調(diào)整微流道的截面尺寸。通過加工具有不同尺寸的方形、半橢圓形和三角形流道，驗證了本方法在加工異型截面微流道方面的有效性。與現(xiàn)有異型截面微流道加工技術(shù)相比，本方法具有適用范圍廣、加工成本低和實驗操作簡單等顯著優(yōu)勢，為拓展微納加工手段提供了一種有益思路。為驗證異型截面在微粒慣性操控方面的調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)研究了不同流體流量下微粒在半橢圓形和三角形微流道內(nèi)的慣性聚焦行為。結(jié)果表明，半橢圓形和三角形流道內(nèi)的微粒隨流量增高時將逐漸橫向遷移運動至靠近流道截面邊長的中心附近，并最終形成3個穩(wěn)定的平衡位置。

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