3D打印微流控芯片技術(shù)研究進(jìn)展

范一強(qiáng) 王玫 張亞軍

摘 要 近年來，微流控技術(shù)在生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，顯示出了其在檢測(cè)速度、精度以及試劑損耗等方面相比傳統(tǒng)方法的顯著優(yōu)勢(shì)。然而，使用從半導(dǎo)體加工技術(shù)繼承而來的微加工技術(shù)制作微流控芯片具有比較高的資金和技術(shù)門檻，在一定程度上阻礙了微流控技術(shù)的推廣和應(yīng)用。近年來隨著3D打印技術(shù)的興起，越來越多的研究者嘗試使用3D打印技術(shù)加工微流控芯片。相比于傳統(tǒng)的微加工技術(shù)，3D打印微流控芯片技術(shù)顯示出了其設(shè)計(jì)加工快速、材料適應(yīng)性廣、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外在3D打印微流控芯片領(lǐng)域的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述，著重介紹了采用微立體光刻、熔融沉積成型以及噴墨打印等3D打印技術(shù)加工制作微流控芯片的方法，以及這些微流控芯片在分析化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)3D打印微流控芯片技術(shù)未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 微流控； 3D打印； 細(xì)胞生物學(xué)； 評(píng)述

1 引 言

微流控（Microfluidics）一詞出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代初，指的是在微米尺度上操作和控制流體的技術(shù)[1]。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，微流控技術(shù)從最初的單一功能的流體控制器件發(fā)展到了現(xiàn)在的多功能集成、應(yīng)用非常廣泛的微流控芯片技術(shù)，在分析化學(xué)[2，3]、醫(yī)學(xué)診斷[4，5]、細(xì)胞篩選[6，7]、基因分析[8，9]、藥物輸運(yùn)[10，11]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)方法，微流控技術(shù)具有體積小、檢測(cè)速度快、試劑用量小、成本低、多功能集成、通量高等特點(diǎn)。

目前，用于制作微流控芯片的微加工技術(shù)大多繼承自半導(dǎo)體工業(yè)，其加工過程工序繁多，且依賴于價(jià)格高昂的先進(jìn)設(shè)備。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）、軟印[13]（Softlithography）、壓印[14]（Embossing）、注射成型[15]（Injection modelling）、激光燒蝕[16]（Laser ablation）等。這些加工過程都需要在超凈間內(nèi)完成，工序復(fù)雜，需占用大量空間， 且需要富有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和加工人員[17]。

近年來，隨著3D打印技術(shù)的興起，越來越多的研究者嘗試采用3D打印技術(shù)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打印技術(shù)，可以顯著簡(jiǎn)化微流控芯片的加工過程，在打印材料的選擇上也非常靈活，除了各種聚合物材料外，還可以直接打印生物材料[18，19]。一般情況下，微流控芯片的3D打印過程只需在設(shè)計(jì)完成后直接打印微流控芯片即可，相比于其它微加工技術(shù)，極大地降低了微流控芯片的技術(shù)門檻和加工成本，對(duì)微流控芯片技術(shù)的推廣應(yīng)用有著非常積極的意義。近年來，3D打印微流控芯片技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速，出現(xiàn)了很多用于細(xì)胞分析檢測(cè)[20～22]、藥物輸運(yùn)[23]、生物傳感[24，25]等領(lǐng)域的3D打印微流控芯片。

（A）微流控領(lǐng)域收錄在Web of Science核心合集的文獻(xiàn)數(shù)量；（B）3D打印微流控技術(shù)領(lǐng)域收錄在Web of Science核心合集的文獻(xiàn)數(shù)量。

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

圖1展示了從2004年到2015年11月，收錄在Web of Science核心合集中的微流控技術(shù)領(lǐng)域的文獻(xiàn)數(shù)量以及3D打印微流控芯片領(lǐng)域的文獻(xiàn)數(shù)量。可以看到，在此期間微流控技術(shù)得到了快速穩(wěn)步發(fā)展；同時(shí)，3D打印微流控芯片技術(shù)的發(fā)展也是方興未艾，2013年以來增速逐步加快。

本文將著重介紹近年來幾種發(fā)展較快和較為常見的3D打印微流控芯片技術(shù)，包括微立體光刻技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù)以及3D噴墨打印技術(shù)，對(duì)這幾種技術(shù)在分析化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，并對(duì)3D打印微流控芯片技術(shù)在未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

2 3D打印微流控芯片技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1微立體光刻技術(shù)在微流控芯片加工中的應(yīng)用

微流控芯片的加工技術(shù)大多脫胎于半導(dǎo)體制造技術(shù)。然而，可用于微流控芯片加工的微立體光刻技術(shù)（μSL）卻是源自于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的立體光刻技術(shù)（Stereolithography， SLA）。微立體光刻技術(shù)是通過控制曝光光源，對(duì)光敏樹脂進(jìn)行逐層曝光固化、層層疊加而形成的三維立體結(jié)構(gòu)。雖然微立體光刻技術(shù)并沒有真的“打印”出需要的結(jié)構(gòu)，但是其通過對(duì)液體光敏樹脂的選擇性逐層固化來實(shí)現(xiàn)微器件的加工過程非常類似于3D打印，所以本文也將微立體光刻技術(shù)歸于可用于3D打印微流控芯片的技術(shù)之一。

立體光刻技術(shù)從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有三十余年的歷史[26]。早期的立體光刻技術(shù)，由于精度的限制，不適用于微加工領(lǐng)域。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，立體光刻技術(shù)被逐漸應(yīng)用于微加工領(lǐng)域，常見的臺(tái)式微立體光刻設(shè)備已經(jīng)能夠達(dá)到200 μm的精度[27，28]。新近出現(xiàn)的基于雙光子聚合效應(yīng)（Twophoton polymerization， 2pp）的微立體光刻技術(shù)[29，30]，可以將精度提高10 μm。

由于制造方法便捷和擁有較高的精度，越來越多的研究者開始將微立體光刻技術(shù)應(yīng)用于微流控芯片的加工中。同時(shí)，可用于微立體光刻的光源也不僅限于紫外光源（UV）[26，31，32]，很多研究者開始嘗試使用LED[33，34]、激光[35～37]等作為固化光敏樹脂的光源。伴隨著曝光光源的多樣化，可用于微立體光刻的光敏樹脂也不再局限于紫外光敏感的環(huán)氧樹脂類和丙烯酸酯類聚合物材料，近年來， 研究者開始嘗試使用聚富馬酸二羥丙酯（PPF）、富馬酸二乙酯（DEF）[38]、Accura60[39]等新型聚合物材料。

圖2分別顯示了通過傳統(tǒng)的微加工方法和微立體光刻法加工微流控芯片的過程。常見的基于聚合物材料的微流控芯片的加工過程如圖2a所示，第一步是制作模具，利用光刻等手段對(duì)旋涂在玻璃片或者硅片上的光刻膠進(jìn)行加工，常用的光刻膠如SU8[40]等。第二步是利用第一步制成的模具倒模，常見的用于微流控芯片的倒模材料有PDMS等。對(duì)于具有多層結(jié)構(gòu)的微流控芯片來說，每一層結(jié)構(gòu)的加工都需要重復(fù)上面提到的兩步。第三步需要鍵合另外一層材料對(duì)流道進(jìn)行封閉。對(duì)基于PDMS材料的微流控芯片，鍵合前還需要對(duì)PDMS表面使用等離子體[41]或紫外光[42]進(jìn)行表面改性，隨后鍵合一層玻璃基底封閉微流道。最后還要加工微流道出入口的開孔，一般是利用專用的打孔機(jī)或者激光完成。

相比于上述的傳統(tǒng)的微加工方法，微立體光刻法只需一步就可以完成整個(gè)微流控芯片的制造過程，如圖2b所示。實(shí)際加工過程中，三維的微流控芯片結(jié)構(gòu)通過計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換為具有特定厚度的截面數(shù)據(jù)，然后通過精密控制的紫外光、LED或者激光對(duì)光敏樹脂進(jìn)行曝光固化，同時(shí)通過升降臺(tái)控制厚度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)3D微流控芯片的加工。微流控芯片中的微通道、芯片出入口的開孔、微流道的封閉全都在同一個(gè)步驟中實(shí)現(xiàn)，顯著提高了效率，減少了傳統(tǒng)加工方法中人為因素造成的誤差。

圖3顯示了Shallan等使用微立體光刻技術(shù)制作的一個(gè)濃度梯度產(chǎn)生器[28]，芯片加工使用的是精度為50 μm的微立體光刻打印機(jī)（Miicraft， Taiwan）。為了便于觀察濃度梯度，兩入口處的甲醇溶液分別被染為紅色和藍(lán)色，共通過5次的分離和混合后，產(chǎn)生了沿著主流道垂直方向均勻分布的濃度梯度。流道的寬度為1000 μm，深度為500 μm，如果采用傳統(tǒng)的光刻方法，制作同樣具有五層結(jié)構(gòu)的濃度梯度產(chǎn)生器，需要對(duì)其中表面有微結(jié)構(gòu)的四層分別進(jìn)行加工，每層都需要重復(fù)涂膠對(duì)準(zhǔn)曝光沖洗過程。而使用微立體光刻技術(shù)可以一次性成型，成本極低，每塊芯片的成本只需要5美元，整個(gè)加工過程也只需要210 min。

雙光子聚合效應(yīng)也被稱為雙光子吸收聚合效應(yīng)（Twophoton absorption， TPA或TPP），可以顯著提高微立體光刻的精度。實(shí)踐證明，吸收單個(gè)光子的能量難以引發(fā)聚合物單體的聚合反應(yīng)，而雙光子卻擁有足夠能量激發(fā)聚合反應(yīng)[43]。雙光子聚合效應(yīng)正是利用了這一點(diǎn)，使用激光聚焦引發(fā)聚焦點(diǎn)處的材料發(fā)生聚合反應(yīng)，通過控制聚焦點(diǎn)和激光的掃描路徑，完成微立體光刻的過程[29]。常見的通過雙光子聚合效應(yīng)加工微流控芯片所使用的光敏樹脂有SU8[30]、SCR500[44]等。

典型的雙光子聚合效應(yīng)微立體光刻系統(tǒng)如圖4所示[45]，雙光子的激發(fā)源采用Nd：YAG綠光激光器，激光中心波長(zhǎng)為532 nm，聚焦點(diǎn)的能量為0.15 mW，曝光時(shí)間為1 ms。激光通過光路開關(guān)進(jìn)入倒置顯微鏡后，經(jīng)過濾光、擴(kuò)束，最后由一個(gè)數(shù)值孔徑（NA）為1.3的透鏡對(duì)光束進(jìn)行聚焦。聚焦后的激光在光敏樹脂中的三維掃描是通過載著光敏樹脂平臺(tái)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)。載著光敏樹脂的平臺(tái)通過壓電效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)在3個(gè)方向上的微距移動(dòng)，精度很高（步距1 nm）。

圖5顯示的是使用雙光子聚合微立體光刻方法加工的基于Photomer 3015光敏樹脂的流量計(jì)[45]。得益于雙光子聚合微立體光刻法較高的精度，此流量計(jì)的長(zhǎng)度只有30 μm，寬度只有15 μm。此流量計(jì)放置于微通道中，通過觀察流量計(jì)在微通道中的偏轉(zhuǎn)情況，可以測(cè)得最小流量為1 μL/min，在實(shí)際測(cè)量中，微通道中的流量數(shù)據(jù)可以比照標(biāo)準(zhǔn)得知。

近年來，還出現(xiàn)了基于數(shù)字微鏡（Digital micromirror device， DMD）裝置的數(shù)字光處理（Digital light processing， DLP）3D打印機(jī)，相比于傳統(tǒng)的微立體光刻打印機(jī)，打印速度和準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高。在3D打印過程中，激光照射到一個(gè)由MEMS技術(shù)加工而成的微鏡陣列上，通過微鏡陣列對(duì)激光反射的控制達(dá)到選擇性曝光光刻膠的目的。Spivey等研究者使用基于DLP技術(shù)的3D打印機(jī)加工了用于研究細(xì)胞衰老的微流控芯片，精度可以達(dá)到4 μm[46]。目前采用基于DLP技術(shù)的3D打印機(jī)加工微流控芯片的報(bào)道還很少，相信未來將是3D打印微流控芯片的重要發(fā)展方向之一。

2.2 熔融沉積成型3D打印技術(shù)在微流控芯片加工中的應(yīng)用

熔融沉積成型技術(shù)（Fused deposition modeling， FDM）最早在1994年由Crump提出[47]。到目前為止，基于FDM原理，將加熱軟化的聚合物材料熔絲逐層打印的技術(shù)是使用最為廣泛、商業(yè)化程度最高的3D打印技術(shù)之一。在各類3D打印技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，大部分低成本的3D打印機(jī)都是基于此項(xiàng)技術(shù)。在部分文獻(xiàn)中，熔融沉積成型技術(shù)又被成為熔絲制造技術(shù)（Fused filament fabrication， FFF）[48，49]。

與其它種類的3D打印微流控芯片技術(shù)相比，在材料的選擇上，F(xiàn)DM技術(shù)具有廣泛的適應(yīng)性。理論上，幾乎所有的熱塑性聚合物材料都可以用于熔融沉積成型技術(shù)。材料的廣泛適應(yīng)性給FDM技術(shù)在3D打印微流控芯片中的應(yīng)用帶來了很大的優(yōu)勢(shì)，使用中可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需要（物理/化學(xué)性質(zhì)、生物兼容性、抗腐蝕等）靈活選擇聚合物材料，甚至可以通過更換熔絲實(shí)現(xiàn)由不同種聚合物材料層疊打印而成的微流控芯片。在實(shí)際的應(yīng)用中，F(xiàn)DM技術(shù)經(jīng)常使用的聚合物材料有PC[50]、PP[51]、PLA[52，53]以及工程塑料ABS[54]等，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的特殊要求，甚至可以打印糖[55]、陶瓷[56]等特殊材料。

圖6 熔融沉積成型加工技術(shù)示意圖

Fig.6 Schematic of the fused deposition modeling （FDM） process

使用基于FDM的3D打印技術(shù)，需要對(duì)構(gòu)建好的3D模型使用軟件逐層解剖，每層的厚度根據(jù)打印機(jī)的不同從0.1～1.0 mm不等，然后軟件對(duì)每層分別進(jìn)行運(yùn)算，規(guī)劃噴頭的合理運(yùn)動(dòng)路徑。典型的FDM的加工過程如圖6所示，聚合物材料的線材通過齒輪等機(jī)構(gòu)被送入具有加熱裝置的金屬噴頭，聚合物材料被加熱到玻璃轉(zhuǎn)換溫度以上，軟化了的聚合物材料熔絲從噴頭噴出到底板上降溫固化成型。一般基于FDM的3D打印設(shè)備的熔絲噴頭可以同時(shí)在3個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)，通過熔絲的層層堆疊形成三維的結(jié)構(gòu)。為了防止已打印的材料在降溫過程中發(fā)生翹曲[57]，有的熔融沉積成型打印裝置配備了可以加熱的底板。一些較為先進(jìn)的熔融沉積成型打印裝置甚至還配備了兩個(gè)或者多個(gè)打印噴頭，可以對(duì)不同種類的聚合物材料同時(shí)進(jìn)行打印。

Wang等[58]使用熔融沉積成型3D打印設(shè)備（FDM3000），加工了基于ABS材料的微流控芯片，如圖7所示。在微流控芯片的打印過程中，逐層打印的層高為178～356 μm，實(shí)際精度為±127 μm，作者指出，使用這種3D打印設(shè)備和ABS材料，可以非常容易加工出寬度和深度為500 μm左右的微流道。

圖7 熔融沉積成型加工的微流控器件[58]

Fig.7 Microfluidic device fabricated by FDM[58]

He等[55]將熔融沉積成型3D打印機(jī)的噴頭部分進(jìn)行了改造，使之能通過雙噴頭分別打印加熱后的糖纖維和液態(tài)的PDMS，其中PDMS作為打印3D結(jié)構(gòu)時(shí)糖纖維的輔助支撐材料。通過這種方法加工微流控芯片的典型過程如圖8所示， 使用這種方法制作微流控芯片的過程簡(jiǎn)單快捷， 成本低廉，且加工出的微流控芯片非常適于在生命科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖8 熔融沉積成型3D打印微流控芯片的過程： （a）打印基于糖材料的2D/3D模具； （b） 將液態(tài)PDMS傾倒在模具上成型固化； （c） 將糖移除， 形成微流道[55]

Fig.8 Fabrication procedures by FDM： （a） Direct 2D or 3D sugar structures are printed. （b） PDMS is poured on the structures and cured. （c） Sugar structures are removed， and microfluidic chips are obtained without further sealing[55]

基于FDM的3D打印技術(shù)在微流控芯片的加工領(lǐng)域顯示了其對(duì)加工材料的廣泛適應(yīng)性以及在生命科學(xué)、化學(xué)領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景， 然而還存在一些缺陷需要改進(jìn)克服。首先是打印精度的問題，這涉及到在水平面中（xy）方向上的打印精度和層高（z）方向上的精度兩個(gè)方面，在同一水平面上的打印精度受噴嘴大小以及步進(jìn)電機(jī)精度的影響，一般在200～500 μm左右。Wang等[59]通過提前加熱聚合物材料等方法，將精度提高到了100 μm；在層高方面，目前較為常用的FDM打印機(jī)z軸精度在100～500 μm，但還不能完全滿足微流控芯片中微通道的高度要求。另外，通過FDM技術(shù)打印的微流控芯片在微通道的表面粗糙度和壁面的垂直度相對(duì)其它加工方法也有一定劣勢(shì)[57]，這些都是在今后的研究中亟待解決的問題。

2.3 噴墨3D打印技術(shù)在微流控芯片加工中的應(yīng)用

噴墨3D打印技術(shù)（Inkjet 3D printing）最早由Bonyr等提出[60]，與普通的噴墨打印機(jī)原理類似，都是通過打印機(jī)的噴頭陣列將墨水小液滴噴出附著在底板上。與普通噴墨打印機(jī)不同的是，噴墨3D打印技術(shù)一般是將光敏樹脂的小微滴打印在底板上，在打印的同時(shí)，通過安裝在噴頭上的UV光源對(duì)樹脂進(jìn)行固化。與之前介紹過的FDM技術(shù)類似，噴墨3D打印技術(shù)也是通過逐層打印的方法加工出三維的結(jié)構(gòu)。

圖9顯示了采用噴墨3D打印技術(shù)制作出的微流控芯片模具（黃色）以及倒模而成的基于PDMS材料的微流控芯片，應(yīng)用于生物樣本混合和運(yùn)輸[60]。使用的是在噴墨3D打印技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛認(rèn)可的Eden系列噴墨3D打印機(jī)（以色列Objet公司），使用FullCure 720光敏樹脂以及FullCure 705支撐材料，可以實(shí)現(xiàn)在xy平面40 μm的精度，以及z方向上16 μm的精度，可以滿足絕大多數(shù)情況下微流控芯片的精度要求。需要指出的是，實(shí)際打印結(jié)構(gòu)的精度不僅取決于機(jī)械系統(tǒng)在xy和z面上的運(yùn)動(dòng)精度，還取決于最小可噴出液滴的大小[61]。

圖9 噴墨3D打印技術(shù)打印出的模具和經(jīng)過倒模的基于PDMS材料的微流控器件[60]

Fig.9 Microfluidics device fabricated using inkjet 3D printing technology[60]

3 3D打印微流控系統(tǒng)的應(yīng)用

采用3D打印技術(shù)加工的微流控系統(tǒng)在細(xì)胞生物學(xué)[46]、基因診斷[52]、醫(yī)學(xué)檢測(cè)[24，62]等方面有著廣泛的應(yīng)用?；?D打印的微流控芯片加工技術(shù)具有傳統(tǒng)微加工技術(shù)無(wú)法比擬的靈活性，通常整個(gè)設(shè)計(jì)加工過程可以在很短時(shí)間內(nèi)完成，對(duì)于生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究需要具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。另一方面，3D打印技術(shù)的應(yīng)用顯著降低了微流控系統(tǒng)的成本，對(duì)基于微流控系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)等在不發(fā)達(dá)/欠發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的推廣應(yīng)用有著非常積極的意義。

Spivey等[46]使用自制的基于DLP技術(shù)的3D打印機(jī)加工了PEGDA （Polyethylene glycol diacrylate）材料的模具，并使用PDMS進(jìn)行倒模，制成了用于研究酵母菌細(xì)胞衰老的微流控芯片。如圖10所示，含有細(xì)胞的溶液在微流控芯片的中央通道通過時(shí)，通過流道中微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定大小酵母菌的捕獲，可以同時(shí)對(duì)數(shù)百個(gè)桿狀的酵母菌細(xì)胞進(jìn)行捕捉和觀察。對(duì)于體積更小的大腸桿菌等細(xì)菌，Lee等[63]采用3D打印技術(shù)加工了具有螺旋形流道的微流控系統(tǒng)（圖11），并利用液體慣性和磁場(chǎng)的交互作用對(duì)牛奶中與抗體結(jié)合的大腸桿菌進(jìn)行了分離。除此之外，Heger等[25]還使用了3D打印的微流控芯片系統(tǒng)對(duì)作為腫瘤標(biāo)志物的金屬硫因蛋白（MTs）進(jìn)行了分離和熒光檢測(cè)[25]。

為了防止交叉污染，在醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域中應(yīng)用的微流控芯片都是一次性使用的，為了盡量減少患者

圖11 3D打印加工完成的細(xì)菌捕獲分離微流控芯片 （A） 使用慣性流動(dòng)對(duì)細(xì)菌進(jìn)行捕獲和分離； （B）截面為不規(guī)則四邊形的微流道； （C） 加工完成的微流控裝置的照片[63]

Fig.11 3D printed microfluidic device for bacteria separation. （A） Schematic illustration of separation of captured bacteria by inertial focusing； （B） Illustration of channel with trapezoid crosssection； （C） Photograph of 3D printed device [63]

圖10 裂殖酵母的生命周期研究系統(tǒng)（A）細(xì)胞從中間的溝道中進(jìn)入微流控裝置 （B）用于PDMS倒模的PEDGA模具[46]

Fig.10 Schematic of fission yeast lifetime microdissector. （A） Cells in solution enter the device through a central trench； （B） polyethylene glycol diacrylate （PEGDA） master structure used to generate a PDMS[46]

圖12 用于多重生物樣本檢測(cè)和液體操控的紙基3D打印微流控芯片[64]

Fig.12 Paperbased 3D printed microfluidic device for multiple bioassays and fluidic manipulation [64]

經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，應(yīng)大力降低微流控芯片的成本。在超低成本微流控芯片加工領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也顯示出了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。圖12展示了一種應(yīng)用于多重生物樣本檢測(cè)的紙基3D微流控芯片[64]，整塊芯片由一張層析紙打印而成，打印過程中采用了富士施樂公司的蠟打印機(jī)，通過打印在紙張上蠟的圖案構(gòu)成了儲(chǔ)液池和微流道。使用過程中，在儲(chǔ)液池（上層）中添加生物試劑，將待檢測(cè)生物樣品添加到下層儲(chǔ)液池中，待下層樣品通過毛細(xì)作用布滿流道后， 將紙張折疊，使生物試劑與待測(cè)生物樣品結(jié)合，通過顯色完成檢測(cè)。在這項(xiàng)工作，創(chuàng)新性地使用了折疊的辦法，將2D微流控芯片變成了3D的微流控芯片，達(dá)到了超低成本檢測(cè)的目的。

4 總結(jié)和展望

從目前技術(shù)的發(fā)展情況看，可供選擇的3D打印微流控芯片技術(shù)很多，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)3D打印微流控芯片技術(shù)的選擇，應(yīng)該從加工成本、材料成本、加工精度、材料的生物兼容性、材料的耐化學(xué)腐蝕等等方面綜合考慮。

微立體光刻技術(shù)作為出現(xiàn)比較早、較為成熟的3D打印微流控芯片加工技術(shù)，具有打印精度較高、可以采用多種光敏樹脂的特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是打印完成之后需要加熱固化處理，去除支撐性材料等后續(xù)工作，加工過程較為復(fù)雜?；陔p光子聚合效應(yīng)的3D打印微流控芯片技術(shù)是本文介紹的幾種加工技術(shù)中精度最高的，但是其對(duì)光源的要求高，設(shè)備成本高昂，打印速度較慢，適用于需要高精度微流控芯片的應(yīng)用。

圖13 3D打印微流控芯片技術(shù)中使用到的各種材料的文字云圖，文字的大小基于使用該種材料在3D打印微流控芯片領(lǐng)域的論文數(shù)量，為了增強(qiáng)可視化，F(xiàn)ullCare和Accura60兩種材料的文字分別放大了20和35倍

Fig.13 Word cloud for the materials used in the 3D printed microfluidics， the size of the font is based on the counting of the relevant publications， the data is based on the data mining result from Google Scholar. To ensure the visibility， the font size of FullCare and Accura60 has been enlarged 20 and 35 times， respectively基于數(shù)字微鏡技術(shù)的微立體光刻技術(shù)精度較高且成本相對(duì)低廉，將是未來微立體光刻技術(shù)發(fā)展的主流技術(shù)。

相對(duì)于其它幾種3D打印微流控芯片技術(shù)熔融沉積成型技術(shù)的成本最低、材料適應(yīng)性最廣，幾乎所有熱塑性聚合物材料都可以使用此技術(shù)?；谌廴诔练e成型的較為成熟的商業(yè)化3D打印機(jī)也很多。但是，熔融沉積成型的最大缺點(diǎn)是精度較低，表面平整度不佳，比較適于制作一次性使用的且精度要求不高的微流控芯片。

圖13的文字云圖（Word cloud）中，包含了10種常見的應(yīng)用于3D打印微流控芯片技術(shù)的材料。代表每種材料的文字的大小與這種材料在與3D打印微流控芯片相關(guān)的文獻(xiàn)中出現(xiàn)的頻率成正比。用于制作該云圖的數(shù)據(jù)源自于對(duì)Google Scholar數(shù)據(jù)庫(kù)中與3D打印技術(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯觯琍DMS， PLA， PC， Wax（蠟）是使用頻率最高的幾種材料，而使用頻率最少的兩種材料（FullCare， Accura60）為了在圖中可見，文字大小被分別放大了20倍和35倍。由于PDMS的使用頻率很高，可以推測(cè)采用3D打印微流控芯片模具然后使用PDMS倒模的方法很普遍，基于PLA和PC材料的熔融沉積成型技術(shù)在3D打印微流控芯片中也被廣為應(yīng)用。

2006年，哈佛大學(xué)的Whitesides教授在寫給Nature雜志的評(píng)論中說，微流控技術(shù)還處在發(fā)展的幼年期[65]，十年之后的今天，雖然微流控技術(shù)得到了快速發(fā)展，在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、分析化學(xué)等領(lǐng)域也得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但仍處于發(fā)展的初級(jí)階段。而相比于微流控技術(shù)的發(fā)展，3D打印微流控芯片的技術(shù)應(yīng)該還處在更早的時(shí)期。圖14顯示了從2005年3D打印微流控芯片的技術(shù)出現(xiàn)到目前10年來的發(fā)展歷程，以及對(duì)未來的展望。早期的基于3D打印的微流控芯片技術(shù)普遍使用倒模的方法，通過3D打印出基于ABS、PLA、PC等熱塑性材料的模具，然后使用PDMS進(jìn)行倒模[66]。2011～2012年，開始出現(xiàn)了直接打印完成的具有簡(jiǎn)單流道的微流控芯片； 2012年后，出現(xiàn)了基于3D打印微流控芯片的微反應(yīng)器[51]，除微流道外， 還增加了更多功能性器件，甚至也引入了金屬電極[67]； 2013年，出現(xiàn)了采用3D打印而成的紙基微流控芯片[68]，2014年實(shí)現(xiàn)了3D打印制作的可植入人體內(nèi)的生物檢測(cè)和藥物遞送芯片[69]； 2015年，3D打印微流控芯片技術(shù)的發(fā)展更加迅速，出現(xiàn)了整合生物傳感器[70]、高通量[71]、多層芯片[72]、實(shí)時(shí)生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等多種芯片，紙基3D打印微流控芯片技術(shù)也迎來了新發(fā)展，出現(xiàn)了3D打印制成的具有集成金屬電極的紙基微流控芯片[73]。

圖14 3D打印微流控芯片技術(shù)過去10年間的發(fā)展

Fig.14 Development for 3D printed microfluidic chips during the past 10 years

3D打印微流控芯片技術(shù)的發(fā)展方興未艾，相信隨著各類3D打印技術(shù)的不斷成熟和各類新材料的涌現(xiàn)，3D打印微流控芯片技術(shù)將呈現(xiàn)集成化程度更高、整合多種生物/化學(xué)傳感器、精度更高、成本更低的特點(diǎn)，并在生命科學(xué)、分析化學(xué)、醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。3D打印微流控芯片技術(shù)的出現(xiàn)，也為研究者們提供了更多的思路。展望未來，基于3D打印技術(shù)必將成為微流控芯片加工領(lǐng)域最為重要的技術(shù)手段之一。

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Recent Progress of 3D Printed Microfluidics Technologies

FAN YiQiang*， WANG Mei， ZHANG YaJun

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Beijing University of Chemical Science， Beijing 100029， China）

Abstract In recent years， microfluidics technology has been widely used in biological and medical diagnosis， which demonstrated great advantages compared with other traditional methods. However， there are financial and technology barriers for users to benefit from microfluidics technology when using the standard microfabrication technologies inherited from IC industry. With the booming of three dimensional （3D） printing technologies in recent years， more and more researchers are trying to apply 3D printing technology to fabricate the microfluidic chips for biological and medical applications. Compared with traditional microfabrication method， 3D printing technology shows great advantages in rapid fabrication， flexibility on material selection and low cost. This paper reviewed the most recent research progresses for 3D printed microfluidic technology， especially for the application of 3D printed microfluidic devices respectively fabricated by microstereolithography， fused deposition modelling and inkjet printing method in analytical chemistry， biological and medical diagnosis. The outlook of the research trend in 3D printed microfluidic technology was also discussed.

Keywords Microfluidics； 3D printing； Cell biology； Review

（Received 29 February 2016； accepted 4 March 2016）