构建3D有机硅微流控器件新方法：零剂量策略优化体积增材制造
2025-11-06 13:11:46   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

有机硅弹性体是连接化学、生物学和工程技术的核心材料之一。它们可拉伸且不易撕裂，耐热且能承受紫外线，并能够在与活体组织接触时保持化学稳定性。这些特性使它们成为微流控器件不可或缺的材料，赋能医疗诊断、药物开发和细胞培养中微量液体的操控和处理。尽管具有这些优势，但将有机硅弹性体制成复杂的3D结构仍然存在挑战。

传统的制造方法依赖模具成型，将液态有机硅弹性体材料倒入由光刻技术制成的刚性模板上，该过程可以复制精细细节，但成本高昂、劳动密集且大多局限于平面几何形状。每次设计迭代都需要一个新的模具，这会延误实验并增加成本。

逐层3D打印提供了更高的设计自由度，但也引入了其它缺陷。例如层与层之间会留下接缝，导致光线散射并降低部件强度。此外，某些树脂使用丙烯酸化学方法，如果在固化后仍有未反应的材料残留，可能会损伤细胞。

一种名为“体积增材制造（VAM）”的新方法旨在突破这些限制。该方法不再通过逐层打印的方式成型，而是通过将一系列2D图像投射到旋转的液态树脂圆柱中，一次性固化整个物体。当累积的光剂量达到阈值时，树脂就会完成固化。

这个过程也被称为计算轴向光刻，在概念上类似于反向运行的医疗CT成像：由计算机计算产生所需形状的光投影图案。它可以在几分钟内构建固体部件，并且适用于粘性较大或光散射材料，这些材料往往会给传统3D打印带来困扰。

VAM打印代表性示意图和光催化氢化硅烷化机理

有机硅弹性体化学特性本应适配这种VAM方法，但一个关键障碍始终存在。许多有机硅弹性体通过氢化硅烷化反应来固化，这是一种铂催化反应，将硅烷和乙烯基基团连接成柔性网络。当催化剂被光激活后，它会在黑暗中继续工作。这种持续固化或暗固化会模糊打印物体和周围液体树脂之间的边界，导致微通道堵塞、边缘变形。如果无法精确控制催化剂激活的位置和方式，有机硅弹性体的VAM将无法获得清晰的内部结构特征。

据麦姆斯咨询介绍，为解决上述问题，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员近期在Advanced Science上发表了一篇题为“Volumetric Additive Manufacturing of Dormant Catalytic Chemistries to Generate Silicone Micro- and Millifluidic Devices and Instant Molds”的研究成果。

该研究提出了一种限制光激活并调节固化时间的策略。研究人员介绍了一种创新的投影设计，可保持未曝光区域完全黑暗，同时还开发了一种树脂配方，其凝胶化过程可被测量和预测。这些创新相结合，不仅能打印具有开放通道的硅器件，并且可在几分钟内制作出即时模具。

在VAM中，每个投影图像在旋转容器内的每个点上贡献总吸收光的一部分。一种称为Radon transform的数学工具会将3D模型转换为该工艺中所需的2D投影图像。

传统优化方法假设，目标物体外的低光剂量是无害的，因为大多数光聚合物在曝光结束后会立即停止反应。但催化硅树脂违背了这一假设。即使在理论上无固化反应的区域，若受到微弱的光照也会产生活性铂，进而在黑暗中持续引发固化反应。

零剂量优化策略示意图

为解决这个问题，研究人员开发了一种零剂量掩膜。其算法计算所有通过预期保持液态区域的光线路径，并将它们的光强设为零。这些经过处理的掩膜投影，可确保没有光激活空隙区域的催化剂。这种方法既能防止通道和空腔中的暗固化，又能保持固化区域的曝光。不过，在凹面附近会出现一种权衡，那里的光路会被阻挡，导致轻微的曝光不足和结构失真，研究人员对该问题进行了量化分析。

这项研究的第二部分聚焦了树脂本身。研究团队在405 nm的近紫外光照射下测试了三种铂催化剂和三种光敏剂，并使用光流变学监测材料从液态到凝胶态的转变。光流变学可测量树脂在光照过程中机械刚度的变化，直接给出材料首次固化的时间点。乙酰丙酮铂无需添加光敏剂即可固化，但在环境光下不稳定。三甲基甲基环戊二烯基铂即使添加光敏剂，反应速度依然太慢。最有效的体系是将三甲基五甲基环戊二烯基铂（PtCp*）与光敏剂异丙基噻吨酮（ITX）结合。

VAM打印的微流控器件，通道中用染色液体进行了测试

利用优化的树脂和掩模投影，研究团队成功制备出了毫米级和微米级的有机硅弹性体结构。其中，毫米级微流控系统使用像素尺寸为14 μm、峰值光强为58 mw/cm²的数字光投影仪；微米级微流控器件则采用聚焦激光，像素尺寸为5 μm，最大光强为32 mw/cm²。每个填充树脂的玻璃小瓶均置于具有匹配折射率的硅油浴中旋转，以最大程度减少光畸变。

由于固化与未固化有机硅弹性体的折射率几乎相同，因此固化前沿是不可见的。研究人员完全依赖投影算法预测的剂量图。光照结束后，样品静置四至六分钟，使固体区域的暗固化完成，而遮罩的空隙区仍保持液态。然后提取部件并进行清洗。使用染色的水进行的测试证实，部件中的通道是开放且连续的。

实验结果展示了几项关键原理。通过掩模投影使空隙区域的光剂量归零，可以阻止不希望的催化剂激活，防止暗固化。已知的体积能量阈值确保了物体各处的一致固化。该技术适用于基于数字光投影和基于激光的两种设置。在凹面或阴影区域附近会出现可预测的变形，但它们与理论预测相符，这意味着可以通过改进的投影算法或修改旋转路径来纠正。

这项研究成果将VAM定位为软光刻和逐层增材制造的实用替代方案。软光刻对于平面微流控器件仍然可靠，但需要洁净室制造和重复模具生产。逐层增材制造可以构建3D有机硅弹性体结构，但通常用丙烯酸体系替代原生硅材料固有的化学体系，从而引入不希望的反应活性。这项研究成果既保留了氢化硅烷化固化反应的化学特性，又能在几分钟内产出完全固化的生物相容性部件。

目前存在的限制主要是定量层面的问题，而非概念上的缺陷。当前可打印的最小通道尺寸略小于一毫米，在阴影区域会出现螺旋状伪影，且机械性能仍落后于浇铸成型的样品。这些不足指明了后续的研究方向：优化投影、扩展实时监控，以及使用抑制剂稳定树脂以延缓不希望的固化。此外，添加填料可以进一步增强弹性体，而不会影响其可打印性。

总结而言，通过控制光暴露和催化剂行为的VAM技术，为快速制造有机硅弹性体微流控器件开辟了一条现实路径。替代逐层打印，一次性成型完整结构，有望大幅缩短微流控实验、软体机器人组件和生物医学测试平台的研发周期。

催化化学一直被认为无法与体光照技术兼容，这项研究证明通过光调控和能量阈值控制能够有效解决该问题。这项研究重新定义了VAM能够实现的制造边界。那些曾经需要模具或洁净室设施才能生产的有机硅弹性体微流控器件，未来有望直接以液态形式制造，在几分钟内完全固化并投入使用。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202512300

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《微流控技术及市场-2024版》

《3D电子和增材制造电子技术和市场-2024版》