大批量生產(chǎn)微流體（微模型）設(shè)備的研究進(jìn)展

胡 鋮

一、引 言

微流體（微模型）設(shè)備是一類新興工業(yè)設(shè)備，主要應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)（如智能芯片）的制造，隨著近年來這一領(lǐng)域的不斷發(fā)展，這類設(shè)備的需求量正在不斷上升。目前，絕大多數(shù)復(fù)雜微流體（微模型）設(shè)備的制造方法都包含光刻、蝕刻和沉積等工藝，而這些工藝需要遵循嚴(yán)格的制造流程，并且對(duì)生產(chǎn)環(huán)境也有苛刻的要求，比如專門的無塵室和器材。因此，出于降低成本和提高生產(chǎn)效率的考慮，更加優(yōu)化的微流體（微模型）設(shè)備的制造方法的研究正逐漸受到關(guān)注。

近年來，各種新型的制造微流體（微模型）設(shè)備的方法正在被不斷提出和改善。Hassel，Achim Walter[1]將共熔合金的定向凝固應(yīng)用于制造準(zhǔn)二元Ni-Al-Re系統(tǒng)，提出了一種同時(shí)鈍化NiAl基體和選擇性電溶稀土的電化學(xué)方法，并用該方法形成了一組直徑為400納米的納米孔陣列。Du，Ming[2]采用自然氧化法，通過在氣相孔隙內(nèi)表面脫鋁銅鋅合金層，制備了由微孔氣相銅、納米孔銅和納米孔氧化亞銅組成的三模態(tài)結(jié)構(gòu)。Yu，Linping[3]采用粉末冶金法制備了多孔鎳銅合金，該合金具有均勻的骨架和豐富的連通氣孔組織。而更多的研究則將目光投向3D打印和造型（modeling）這兩種普遍更加簡(jiǎn)便和經(jīng)濟(jì)的制造方法上。本文將著重介紹幾種利用3D打印或造型制造微流體（微模型）設(shè)備的流程，比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。希望能為工程師們?cè)O(shè)計(jì)同類產(chǎn)品的大批量制造方式時(shí)提供一些思路。

二、3D打印

3D打印是一種快速成型技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來制造產(chǎn)品。

（一）直接書寫（Direct ink writing）

直接書寫是一種原理簡(jiǎn)單、成本低廉的3D打印技術(shù)。Chen，Liao[4]提出了一種使用直接書寫來制造不同尺寸量級(jí)的3D人工微葉的方法，以用于人工光合作用的研究。他們所選擇的直接書寫打印機(jī)是一個(gè)使用程序化生產(chǎn)流程的臺(tái)式機(jī)器人，通過氣動(dòng)輸送系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)膲毫κ箛娮鞌D出油墨并控制其流量。整個(gè)輸墨系統(tǒng)安裝在一個(gè)三軸微定位平臺(tái)上，而3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)物被打印在凡士林基底上。使用CAD控制各種打印參數(shù)，包括壓力、打印速度以及平臺(tái)和桶的溫度等。

整個(gè)制造流程可以分為以下步驟：

1.在15mL乙醇中加入0.5g硅粉，用超聲波降解處理2小時(shí)。

2.向所得溶液中加入0.31g聚乙烯吡咯烷酮（PVP），攪拌5分鐘。（防止溶膠-凝膠油墨在干燥和煅燒過程中應(yīng)力過大）

3.向所得溶液中加入1.0g十二烷基苯磺酸（DBSA），攪拌5分鐘。

4.向所得溶液中加入6.25g二異丙醇鈦雙乙酰丙酮酸（TIA）。

5.向所得溶液中加入約15mL乙醇、3.5mL H2O和2.5mL濃NH4OH（25%—28%），加熱至60—80℃，攪拌6—8小時(shí)以形成濃溶膠-凝膠油墨。

6.將這些油墨儲(chǔ)存于一個(gè)50mL的圓柱形注射器桶里，它們將附著于硼硅酸鹽玻璃微孔上。

7.直接使用這些油墨進(jìn)行墨水書寫。

8.將所得產(chǎn)物置于恒定空氣流下均勻地煅燒，環(huán)境溫度550℃，煅燒持續(xù)6小時(shí)。

9.將所得產(chǎn)物浸入25mL 6M KOH溶液中以腐蝕SiO2納米球，環(huán)境溫度180℃，持續(xù)3天。

10.收集并清洗所得產(chǎn)物，在80℃環(huán)境下干燥12小時(shí)。

使用該方法得到的3D人工微葉是一種微米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)。該方法原理簡(jiǎn)單且成本低廉，適合用于大批量生產(chǎn)。但是該方法一個(gè)制造周期較長(zhǎng)（不低于4天），生產(chǎn)出的最終產(chǎn)物的孔隙排列較密且尺寸較大，所以只有在有計(jì)劃地制造較為疏松的微流體（微模型）設(shè)備時(shí)才具有參考價(jià)值。

（二）3D生物打?。?D bio-printing）

3D生物打?。?D bio-printing）是3D打印的一種，主要用于模擬自然界的各種生物組織。Lee，Vivian[5]提出了一種利用3D生物打印來構(gòu)建流體血管通道的方法。他們使用的生物打印機(jī)基于3D立體自由曲面制造技術(shù)，由一個(gè)三軸機(jī)器人工作臺(tái)、閥分配器（獨(dú)立控制）陣列、材料加載單元和一個(gè)可連接的溫度控制單元組成。在微閥的閘門開啟過程中，液體材料可以通過空氣壓力進(jìn)行分配。通過控制閥門的開啟時(shí)間和流體通道的空氣壓力，可以調(diào)節(jié)分配液滴的體積，進(jìn)而調(diào)節(jié)產(chǎn)品的分辨率。

整個(gè)制造流程可以分為以下步驟：

1.培育人類細(xì)胞，并用0.25%的胰蛋白酶-乙二胺四乙酸（EDTA）來獲取它們；將膠原水凝膠（主要支架材料）稀釋為3.0mg/mL；制備10mg/mL纖維蛋白原和3U/mL凝血酶（制造毛細(xì)血管床）；制備濃度為10%的明膠溶液。將這些材料懸浮保存于冰上。

2.以膠原水凝膠為原材料在一個(gè)流動(dòng)室上進(jìn)行3D打印，通過霧化的NaHCO3使其聚合。重復(fù)此步驟5～6次以得到最終產(chǎn)物的底層結(jié)構(gòu)。

3.以明膠為原材料，在底層結(jié)構(gòu)上3D打印出兩個(gè)流體血管通道。

4.將通道置于4℃下10分鐘，使明膠凝固。在該過程中，迅速將纖維蛋白原、凝血酶和人體細(xì)胞混合沉積在兩個(gè)通道之間。

5.在整個(gè)結(jié)構(gòu)上打印幾層膠原水凝膠。

6.將整個(gè)結(jié)構(gòu)孵育20—30分鐘，使明膠液化，得到流體通道。

7.將人體細(xì)胞注入通道，在通道內(nèi)表面播種，形成細(xì)胞內(nèi)層。

8.將管道連接到蠕動(dòng)的分配泵，并在其中注入溫和的介質(zhì)流。

使用該方法得到的人工毛細(xì)血管通道與常見的微流體裝置有很多相似之處，但是在該研究中最終得到的毛細(xì)血管的尺寸都處于毫米這一量級(jí)，與微流體（微模型）設(shè)備所需的微米級(jí)尺寸相差甚遠(yuǎn)。另外，該方法所需的原材料需要人工培育，其制造周期長(zhǎng)、成本高的特點(diǎn)不適用于大批量生產(chǎn)。因此使用3D生物打印技術(shù)制造微流體（微模型）設(shè)備的方法仍需進(jìn)一步的研究。

（三）熔融沉積模型（FDM）

FDM是3D打印技術(shù)一種，主要用于大規(guī)模生產(chǎn)高成本效益的熱塑性塑料。Gaal，Gabriel[6]提出了一種使用FDM來制造聚乳酸（PLA）微通道的方法，以求降低這一微流體設(shè)備的成本。他們使用的FDM打印機(jī)由Mega 2560（一種采用USB接口的核心電路板）控制，使用直徑為0.4mm的商用熱噴嘴來制造直徑為1.75mm的熱塑性塑料絲。被擠出的熱塑性塑料絲將安置于一個(gè)200×200mm2的60℃標(biāo)準(zhǔn)鏡面熱床上。步進(jìn)電機(jī)按笛卡爾坐標(biāo)移動(dòng)擠出機(jī)和熱臺(tái)，將用于打印微通道的PLA長(zhǎng)絲在200℃環(huán)境下擠出。3D設(shè)備模型是在Autodesk Inventor上設(shè)計(jì)的，模型轉(zhuǎn)換成的每個(gè)打印平面都包含一組笛卡爾坐標(biāo)，用于指定長(zhǎng)絲放置的位置和數(shù)量。

該方法的最終產(chǎn)物為一組微通道的陣列，這是一種常見的微流體設(shè)備結(jié)構(gòu)。但是該方法將制造材料限制為熱塑性塑料，不具有普適性。同時(shí)，該方法制造出的微通道橫截面為“V”型，與常規(guī)微流體設(shè)備的圓形橫截面不符，并且橫截面尺寸達(dá)到1200μm×400μm甚至更大，這依然被認(rèn)為屬于毫米這一量級(jí)。因此該方法依然不適于直接借鑒到別的微流體設(shè)備的制造中，需要進(jìn)一步的研究。

三、造 型

在鑄造生產(chǎn)中，用人力或機(jī)械制造砂型的工序叫造型。

（一）復(fù)制成型（replica molding）

復(fù)制成型是一種控制簡(jiǎn)單、精度高的軟光刻技術(shù)，也被認(rèn)為是造型法的一種。它最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)生產(chǎn)過程中所使用的材料沒有嚴(yán)格的限制。但它對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的要求也更高。

1.熱壓花和復(fù)制成型

熱壓花則是塑料加工業(yè)中一種常用的生產(chǎn)方法，其主要工藝流程是：加熱模具，注射樣品，用壓力將模具固定在加熱板上，熔化、硬化、冷卻樣品，最后釋放模具。Li，Y[7]提出了一種基于熱壓花的復(fù)制成型方法，可以用不同的材料制造納米柱陣列。

整個(gè)制造流程可以分為以下步驟：

（1）用CO2激光切割機(jī)將1毫米厚的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄片切割成納米孔陣列以覆蓋一個(gè)圓形的陽極氧化鋁（AAO）薄膜。

（2）以 AAO為模具，PMMA為樣品，在29kPa 160℃條件下進(jìn)行熱壓花工藝，冷卻15分鐘。

（3）在NaOH（3M）溶液中蝕刻AAO模板約15分鐘，接著用去離子水沖洗樣品，在氮?dú)饬飨赂稍铩?/p>

（4）用溶液相硅烷化法納米柱表面沉積一層釋放層。

（5）在PDC—001等離子清洗機(jī)內(nèi)使用等離子體激活樣品表面，在0.3 Torr左右的條件下持續(xù)1分鐘。

（6）將樣品浸泡到50mL己烷（ACS試劑級(jí)，98.5%）和200μl硅烷的混合溶劑中，環(huán)境溫度為80℃，持續(xù)3小時(shí)，然后將其置于N2氣流中干燥。

（7）如果需要制造別的材料的樣品，則將聚二甲基硅氧烷（PDMS）與硅化后的試樣混合，在真空室中脫氣30分鐘，再在室溫下固化24小時(shí)。

（8）剝離負(fù)PDMS復(fù)制，用其復(fù)制的其他材料鑄造柱子。

該流程最終產(chǎn)品大約有25個(gè)納米柱陣列覆蓋在一個(gè)平臺(tái)上，它們的直徑在200納米以下，這說明該方法可以滿足絕大多數(shù)微流體（微模型）設(shè)備的尺寸需求。而這種方法最難能可貴的優(yōu)點(diǎn)在于它可以使用多種原材料來進(jìn)行制造，這大大增加了整個(gè)生產(chǎn)過程的靈活性?？紤]到生產(chǎn)流程中使用了蝕刻這一工藝，盡管研究者聲稱整個(gè)工藝流程不需要用到專門的無塵室，但依然有理由懷疑這一方法會(huì)比常規(guī)的造型法有著更高的生產(chǎn)環(huán)境要求。這是在采用這一方法時(shí)需要尤其注意的一點(diǎn)。

2.激光誘導(dǎo)的正向轉(zhuǎn)移（LIFT）和復(fù)制成型

LIFT本質(zhì)上是直接書寫技術(shù)的一種，它可以根據(jù)用戶選擇的設(shè)計(jì)，直接液體微滴沉積到基板上，而表面張力會(huì)使所產(chǎn)生的微滴形成幾乎完美的球形表面。Surdo，Salvatore[8]提出了一種將LIFT和復(fù)制成型技術(shù)結(jié)合起來的方法，用于微透鏡的制造，以控制產(chǎn)品的幾何形狀和尺寸，且不依賴于所使用的材料和基底。

整個(gè)制造流程可以分為以下步驟：

（1）使用LIFT將水溶液形態(tài)的微滴打印在基板上。

（2）冷凍所得產(chǎn)物，以微滴為母粒制備聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具。

（3）利用所得模具使用復(fù)制成型在任意選定的基板上創(chuàng)建不同的可固化聚合物的微透鏡。

這一方法可用于生成不同光固化聚合物的微透鏡和微透鏡陣列。其中LIFT保證了快速制造能力和生成微滴完美光滑的表面質(zhì)量，復(fù)制成型則提供了多線程生產(chǎn)和材料靈活性方面的優(yōu)勢(shì)。但同樣的，LIFT工藝也會(huì)對(duì)制造環(huán)境有著較高要求，所以該方法更適用于有一定設(shè)備基礎(chǔ)的制造方。

（二）蒸汽箱成型（Steam-chest molding）

蒸汽箱成型是一種用于制造珠粒泡沫塑料的商業(yè)化成型法。珠粒泡沫塑料是一種聚合泡沫塑料，具有泡沫膨脹率高、尺寸控制能力強(qiáng)、三維形狀復(fù)雜等特點(diǎn)。膨脹熱塑性聚氨酯（ETPU）珠粒泡沫塑料是一種新型的熱塑性彈性體珠粒泡沫塑料，具有良好的延展性和柔軟性。Ge，Chengbiao[9]提出了一種用蒸汽箱成型制造ETPU珠粒泡沫塑料的方法。

該方法的最終產(chǎn)品為帶微米級(jí)孔隙的泡沫粒，可以用于組成不同的三維形狀的產(chǎn)品并精確控制尺寸。但是該產(chǎn)品的原材料限制為ETPU，材料強(qiáng)度低，使用范圍因此受到了很大的限制，只在低強(qiáng)度疏松微流體（微模型）設(shè)備的制造中具有參考價(jià)值。

（三）粉末注塑成型（PIM）

注塑成型是造型法的一種，主要使用金屬、玻璃、彈性體、熱塑性塑料和熱固性聚合物作為原材料。PIM是用金屬粉末而非熔融金屬進(jìn)行注塑成型的一種方法，該方法生產(chǎn)的產(chǎn)品將具有優(yōu)良的晶粒結(jié)構(gòu)。鎢鉻鈷合金是一種耐磨性較強(qiáng)的鈷鉻合金，也可能含有鎢、鉬和少量的碳，鎢鉻鈷合金6就是其中一種。Gülsoy，H.?zkan[10]提出了一種使用PIM生產(chǎn)鈷基鎢鉻鈷合金6超合金組件的方法，以獲得具有良好耐磨性和耐高溫腐蝕的高強(qiáng)度材料。

整個(gè)制造流程可以分為以下步驟：

1.將鎢鉻鈷合金6粉末與一種多組分粘合劑在170℃下混合半小時(shí)。該粘合劑由69wt%固體石蠟（PW）、20wt%聚丙烯（PP）、10wt%加洛巴蠟（CW）和1wt%硬脂酸（SA）組成。得到的混合物種包括62.5vol%鎢鉻鈷合金6粉和37.5vol%粘結(jié)劑。

2.將混合物注入拉伸試樣模具裝置中，在12.5 MPa 170℃條件下保持20秒。

3.冷卻并松開模具，得到成型樣品。

4.將成型樣品加熱至60℃，并將其保存在庚烷中6小時(shí)以進(jìn)行溶劑脫粘。

5.在高純氬環(huán)境下，以Al2O3為基底對(duì)步驟4產(chǎn)物進(jìn)行熱脫粘。

6.在真空Protherm管式爐內(nèi)以Al2O3為基底燒結(jié)步驟5產(chǎn)物，環(huán)境溫度1200℃，持續(xù)1小時(shí)。

該方法得到的最終產(chǎn)物為密布微米級(jí)孔隙的鎢鉻鈷合金6，其相對(duì)密度值約為90%。利用該方法制造微模型設(shè)備流程簡(jiǎn)單，便于操作，適用于大批量生產(chǎn)。但是該方法將原材料限制為部分金屬的粉末，且產(chǎn)品的孔隙不規(guī)則無定型，所以只適用于大批量制造一些特定的微模型設(shè)備。

四、結(jié) 語

通過對(duì)幾種使用3D打印和造型法大批量生產(chǎn)微流體（微模型）設(shè)備研究成果的比較，可以發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)普遍會(huì)使整個(gè)生產(chǎn)過程高度自動(dòng)化而且更加靈活，能夠不局限于某一種特定的材質(zhì)產(chǎn)品。但這一技術(shù)對(duì)生產(chǎn)工具的精度要求較高，不便于控制成本。而使用造型法生產(chǎn)微流體（微模型）設(shè)備往往具有成本低、產(chǎn)量高的特點(diǎn)。但由于這一工藝本身對(duì)于制造的材料有較高的要求，往往只能用于某一種或幾種特定產(chǎn)品的制造。制造方應(yīng)結(jié)合自身的條件以及需求來選擇更加適合的生產(chǎn)方式。