快速多分辨率微流体3D打印技术：可实现2微米通道及超紧凑型混合器的制造
在过去的十五年里，人们对利用3D打印技术制造微流体装置表现出极大的兴趣，由此带来了许多技术突破，尤其是在基于数字光处理技术（DLP）的3D打印技术（DLP-SLA）领域。而其他3D打印方法，包括喷墨打印熔融沉积建模（FDM），以及粉末床熔融技术（PBF）在微流控装置的制造中，我们发现DLP-SLA技术特别适合用于制备高精度的微流控结构。
成功打印的基本要求enclosed采用DLP-SLA技术的微流控装置能够制造出高分辨率的负型结构。这一要求与其他应用场景存在不同限制，例如在3D打印领域，当需要为聚二甲基硅氧烷（PDMS）等材料制造具有开放结构的模具时，就需要考虑这些特殊要求。或更常见的3D打印应用这些算法通常更注重突出正面特征。自2015年以来，我们关于DLP-SLA在微流体技术中研发与应用的研究重点在于：（1）了解负面特征的实际分辨率限制，(2) 设计被动式（如通道、混合器）和主动式（如阀门、泵）微流控组件，(3) 将此类组件集成到功能设备中，（4）为特定应用场景定制专用设备，为此我们研发了一系列定制的3D打印机和专用树脂，这些设备和树脂可以协同工作，从而实现高精度负模的制造，适用于被动结构和主动结构。
在定义负特征时，必须区分XY图像平面上的分辨率与垂直方向（Z轴）的分辨率。XY分辨率的关键因素是图像的投影像素大小，而Z轴分辨率则取决于形成图像的光线的光学穿透深度。光学穿透深度ha（即辐照度下降1/e时对应的距离）由光引发剂及树脂中添加的紫外线吸收剂导致的光衰减决定。部分文献将Z轴分辨率归因于3D打印所选层的厚度，但这种观点是错误的。实际上，层厚应依据光学穿透深度来选择（通常在0.5 ha到ha之间，如我们之前的研究所示）。无论层厚如何，光学穿透深度与层曝光时间共同决定了光线在Z轴方向上引发光聚合反应的深度。
一个显而易见的解决方案是采用多分辨率策略，即提供两种不同的打印分辨率，仅在需要时使用高分辨率，其余情况则使用低分辨率。根据所需高分辨率区域的数量，这一方法原则上可以显著缩短打印时间。参考文献29中提到了一个实例，该文献介绍了一种配备10微米高分辨率和30微米低分辨率光学引擎的定制3D打印机（像素大小比为3:1）。市面上有一种采用这种技术的商用DLP打印机，即BMF D1025 3D打印机，它拥有10微米高分辨率和25微米低分辨率光学引擎（像素大小比为2.5:1）。另一个商用例子是Kloe公司的DiLase 3D扫描激光立体光刻系统，该系统提供了多种高/低分辨率激光光斑尺寸组合：2微米和5微米（2.5:1比例）、5微米和20微米（4:1比例），以及10微米和60微米（6:1比例）。这些策略的优点在于它们打破了分辨率与打印区域的平衡。不过需要注意的是，这种多分辨率仅体现在XY方向上，Z方向并不支持多分辨率。这意味着仍然存在Z方向分辨率的权衡问题，必须选择足够高的Z方向分辨率才能清晰呈现最细微的结构，从而导致整个打印过程都需保持高Z方向分辨率，即便在许多区域使用较低Z方向分辨率就足够了。因此，Z方向缺乏多分辨率特性会导致不必要的长时间打印。
3D打印物体的多分辨率概念如图1a所示，灰色区域表示使用MOE技术以15微米厚层制造的材料，而红色区域则是由VHROE技术以1.5微米层制造的。对于每个包含VHROE区域的MOE层，首先会制造十层VHROE结构，然后再制造一层包围它的MOE层，在该层中，VHROE区域通过在MOE图像中将其显示为深色来体现。这一过程会重复进行，直到所有包含VHROE区域的MOE层都处理完毕，具体过程如图S1所示。
图1b展示了我们自主研发的多分辨率3D打印机的结构示意图，该打印机能够将高分辨率区域嵌入到低分辨率定义的更大体积结构中。实际系统的照片见图1c。两台光学引擎安装在XY平台上，这样在3D打印过程中，它们可以精确地定位在树脂托盘下方，从而在指定位置投射紫外线光束。实际上，我们在每层打印时都会将MOE保持在同一位置，因为其打印区域（38.9毫米×24.3毫米）足够大，足以容纳大多数设备。为了实现精确对焦，我们会在打印过程中移动整个上部组件，使其达到针对每台光学引擎设定的精确垂直位置。
不同光学引擎对树脂的吸收差异如图1d所示，该图根据各自测量的吸收光谱和树脂浓度，展示了NPS和阿伏苯宗在树脂中的吸收系数与波长的关系。图中还显示了每种短通滤光LED的归一化发射光谱。值得注意的是，405纳米LED的光谱主要与NPS的吸收光谱重叠，而365纳米LED的光谱则同时与NPS和阿伏苯宗的吸收光谱重叠。将每种LED的发射光谱与树脂的总吸收光谱进行积分后发现，365纳米LED光的吸收系数是405纳米LED光的10倍。这一结果可见于图1e（405纳米光）和图1f（365纳米光），其中归一化剂量12作为z的函数被展示出来。从图表中可以看出，光穿透深度（即归一化剂量达到其初始值1.0的e-1＝0.368时的z位置）分别出现在z＝20微米和z＝2微米处，这就使得在Z方向上实现了多分辨率处理。
通过这种树脂配方，图1g展示了VHROE所能实现的原始XY分辨率。显微镜图像显示，有0.75 µm长的光聚合线条与0.75 µm宽的间隔交替出现。这一结果证实，VHROE能够清晰分辨出那些由单个激活像素构成的线条与单个未激活像素构成的线条之间的结构差异。
尽管本文主要关注微流控设备的负特征结构，但我们也对两种光学引擎的正特征结构形成了分析。通过L形线条和方形柱阵列来评估特征结构的精确度，这些线条和柱子的宽度及高度范围为1到8像素，适用于每种光学引擎。完整的数据集分别见图S2–S11（MOE）和图S12–S23（VHROE）。代表性结果分别见图2a、b，其中MOE的线条比例为10:1，而VHROE的线条比例为2.5:1。MOE能够形成更为清晰的特征结构，例如图2a右上角那个孤立的柱子；而在VHROE较高的空间分辨率下，要实现类似的边缘清晰度则更具挑战性（见图2b）。
图2：正面与负面的特征分辨率。
a 显示2像素宽、300微米高的MOE正特征的SEM图像。b 显示4像素宽、15微米高的VHROE正特征的SEM图像。c、d 显示3DBenchy模型的SEM图像，其中200微米长的模型是使用VHROE技术打印的，而4000微米长的模型则是使用MOE技术打印的。e 显示1.9×2.0微米2通道横截面的SEM图像。f 一排2×2微米通道横截面图像，用于展示通道的重复性。g 与2017年的结果进行对比，当时使用的通道尺寸为18×20微米2。h 使用新的高分辨率技术重新制作了18×20微米2通道的样本。i 显示经过清理后的2×2微米2通道的俯视显微镜图像。
为了评估传统3D打印的精确度，我们使用了3DBenchy模型作为测试标准，该模型是3D打印机性能的常用基准。这个模型被设计成船的形状，具有悬垂结构、小孔以及复杂的细节，因此非常能考验打印的精准度。为了展示我们的3D打印技术，我们一次性打印出了两个3DBenchy模型。图2c展示了使用MOE技术打印出的4毫米长的3DBenchy模型的SEM图像。在烟囱顶部，还使用VHROE技术打印出了200微米长的3DBenchy模型（见图2d），其尺寸仅为原模型的1/20。更多SEM图像可见于图S24。作为对比，文献中报道的细节水平相当的最小3DBenchy模型分别见图S25a和S25b，它们分别采用2光子聚合技术和1微米分辨率的DLP-SLA技术打印而成。可以看出，我们使用VHROE技术打印出的3DBenchy模型的精确度与这些基准模型相当。
如前所述，微流控装置的制造基于负结构特征的生成。为了测试VHROE技术所能实现的最小负结构特征尺寸，我们设计了一种具有狭窄封闭通道的装置，每个通道的长度为120微米。在制造完成后，必须清除未固化的树脂才能视为制造成功。图2e中展示了可以可靠打印并清除的最小通道横截面尺寸，其大小为1.9微米×2.0微米。图2f展示了多个同时制造的此类通道。值得注意的是，这些通道的各维度尺寸比2017年的研究成果12中的通道尺寸小一个数量级，后者如图2g所示，尺寸为18微米×20微米。这意味着借助VHROE技术和我们定制的多吸收剂树脂，通道的横截面积缩小了约100倍。当用于制造较大的负结构特征时，使用VHROE技术制造的通道侧壁更加光滑，这一点可通过比较图2g和图2h来看出。倾斜的侧壁是由于聚合物收缩以及制造过程中的应力释放所导致的。扫描电子显微镜图像显示，通道上下表面的粗糙度最多只有几分之一微米。图2i展示了六个宽度为2微米的通道的俯视显微图像。自2015年以来，我们在使用商用3D打印机研究最小可实现通道尺寸时（当时使用定制树脂，通道尺寸为60微米×108微米）
虽然VHROE能够提供出色的高分辨率图像，但我们的多分辨率3D打印技术的真正优势在于其完整的XYZ分辨率能力。举个例子，我们设计了一个高度为1.65毫米的矩形芯片，其中包含150微米×150微米的通道。在每个通道中，我们都制造了长1440微米的钻石晶格三周期极小表面结构。除了TPMS区域外，设备的其余部分被分割成110层，每层厚度为15微米。TPMS区域则被分割成100层，每层厚度为1.5微米，总计相当于十层15微米的厚度，即通道的高度。对于这两种层厚，我们使用专门为这一应用开发的切片工具将它们适当交错排列。在我们的设计中，我们在TPMS结构上方创建了一个75微米厚的区域，该区域由五层15微米的MOE层与VHROE交替组成，之后所有后续层都采用MOE材料制成。这样做的目的是为了防止由于MOE材料的光学穿透深度较大而导致的不必要的聚合反应。整个打印过程共耗时52分钟，其中MOE层的打印时间仅为5分钟，剩余的47分钟则用于高分辨率区域的打印。大部分时间都花费在等待振动隔离台在XY平台移动后稳定下来上，这表明我们需要改进多分辨率3D打印机的振动隔离装置。如果振动隔离效果更好，我们预计总打印时间可以缩短至15分钟。
图3d–f展示了多个制备好的TPMS结构图像。例如，在图3d中，可以看到一个a TPMS结构，该结构位于一个通道中，通道上方的层并未被打印出来，这样便于对TPMS结构进行评估。在这个开放式装置中，TPMS结构的孔径大小为7微米。仔细观察通道的边缘，可以发现设计的TPMS结构与周围材料之间存在一定的重叠。这种设计是有意为之，目的是为了确保VHROE区域与MOE生成层之间的物理连续性，同时减少光学系统对齐所需的时间。图3e显示了当通道上方的盖层被制造出来后，通道横截面的SEM图像。图3f则使用了光学显微镜拍摄的视图。在这两种情况下，TPMS结构都成型良好，这证明了将VHROE区域完全嵌入到MOE生成层中的有效性。更多TPMS结构图像见图S29。能够将高分辨率TPMS结构嵌入到较大、低分辨率的微流控通道中，凸显了其在诸如3D打印液相色谱柱等应用中的潜力，因为在这些应用中，较大的表面积对于高效的分子分离至关重要。
到目前为止，我们的研究重点主要集中在各种被动结构上；然而，制造阀门和泵等主动组件对微流体技术而言至关重要，因为它们能实现更精确的流体控制，并使实验装置更加紧凑。目前，我们正利用分子电机技术来制造阀门和泵，同时评估我们原有的泵循环模式，以及两种新的泵循环模式，为将分子电机泵与全新的、高度紧凑的VHROE 3D混合器设计相结合做准备。
泵由两个膜阀和一个位移腔组成。这种结构类似阀门，其流体进出口位于流体腔的边缘。膜阀的示意图见图4a–c，而泵的示意图则见图4d。每个阀和位移腔都配有柔性膜，该膜将上下圆柱形腔室分隔开，其中下层为流体腔室，上层为控制或气动腔室。膜由厚度仅为15微米的单层材料构成，属于3D打印结构的组成部分，因此与打印物体的其他部分采用相同材料制成。其柔韧性源于其相对于直径而言的极薄厚度，以及3D打印材料的低杨氏模量（约7–8兆帕斯卡）。通过交替切换阀的状态并按正确顺序驱动位移腔，即可实现流体的输送。
我们测试了三组不同的泵送时间设置，各组的动作顺序如图4e–g中的表格所示。每行表格代表泵送循环的一个阶段，显示了该阶段相对于阶段p = 0的起始时间，以及阀门V1和V2的状态和直流电状态，其中“X”表示阀门处于开启状态，空单元则表示阀门处于关闭状态。例如，图4e展示了我们在参考文献中首次报道的泵送循环，此时五个泵送循环的持续时间τp是恒定的。图4f则展示了一种改进的五阶段泵送循环，其中阀门和直流电的开启持续时间τV和τDC不同，这使得τDC可以长于τV，从而在泵送循环过程中排出更多的液体。这一过程如图4h所示，该图展示了在固定τDC = 100 ms条件下，平均流量与τV的函数关系。表S2则详细列出了不同阀门开启时间下的平均体积流量及其标准差统计数据（实验重复次数为n = 4或5次）。
图4g展示了如何将改良后的五相泵循环简化为仅四相循环，从而实现更高的最大平均流量。如图4i所示，对于典型的测量数据，三种泵循环的平均流量与总泵周期（即一个泵循环中所有相位时间之和）呈函数关系。其中，五相等相位时间泵循环的峰值平均流量为0.58 μL/min，五相不同相位时间泵循环为1.2 μL/min，而四相泵循环则达到1.79 μL/min。后两种泵循环的流量分别是五相等相位时间泵循环的2倍和3倍。此外，四相泵循环的流量比第二种五相泵循环高出1.5倍。我们选择四相泵循环作为与我们新设计的混合器配合使用的泵型。相应的测量统计结果见表S3，其中n = 4或5次重复实验的结果。不同粘度液体的泵送效果见表S4。
在这项研究中，我们提出了一种多分辨率3D打印技术，该技术能够在XY和Z两个维度实现真正的多分辨率制造，显著提升了DLP-SLA技术在微流体器件制造方面的能力。通过将像素间距为0.75微米、使用405纳米LED的高分辨率光学引擎与像素间距为15微米、使用405纳米LED的主光学引擎相结合，并通过特殊配方的树脂和双紫外线吸收剂，我们实现了20:1的XY分辨率比和10:1的Z分辨率比。这一技术使得制造超精细的负结构成为可能，例如横截面仅为1.9微米×2.0微米的封闭通道、具有7微米孔洞的三周期最小表面结构（该结构完全嵌入在微流体通道中），以及体积仅为0.017立方毫米或17纳升的超紧凑型微流体混合器。这些成果充分体现了该技术在制造复杂、高分辨率微流体结构方面的强大优势。通过合理选择使用高分辨率光学引擎和主光学引擎，我们的技术克服了传统技术中分辨率与打印区域之间的矛盾，也突破了单分辨率Z轴打印的局限。这种多分辨率DLP-SLA系统为先进微流体器件的快速原型设计和生产带来了新的可能性，其潜在应用领域包括生物医学诊断、化学合成、分离技术以及芯片实验室技术。未来的研究将重点优化树脂配方、开发集成液相色谱柱，并探索其他活性微流体组件，以进一步提升器件的功能性能。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41378-026-01194-4