基于立体光刻3D打印技术的微流控芯片内多材料水凝胶二维光图案化方法

研究人员针对微流控芯片中高分辨率多材料水凝胶图案化的技术难题，开发了一种基于商用立体光刻(SLA)3D打印机的创新方法。通过集成定制化微型注射泵系统，实现了PEGDA和HAMA等光敏水凝胶的序列化注入与20 μm精度的直接光聚合，为构建仿生微环境提供了高效平台。

　　

在生物医学工程领域，构建能够模拟细胞外基质特性的微环境一直是重大挑战。传统的水凝胶图案化技术如挤出式打印和喷墨打印存在分辨率低（通常>50 μm）的缺陷，而激光辅助的立体光刻(SLA)虽能实现亚微米级精度，却受限于单材料打印和开放式操作的污染风险。尤其当涉及多材料组合如聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)和透明质酸甲基丙烯酸酯(HAMA)时，现有方法需要复杂的材料更换流程，严重制约了在器官芯片和药物筛选等领域的应用。

为突破这些技术瓶颈，研究人员创新性地将商用SLA 3D打印机改造为微流控集成平台。该团队设计了三联微型注射泵系统，通过精确控制流体切换（流速1-1000 μL/min）实现了不同水凝胶的序列化注入。配合405 nm激光（7 mW）的点对点光聚合（能量密度7.6-755 mJ/mm²
），在85 μm厚的玻璃-玻璃微流控芯片内直接构建多材料图案。这种封闭式操作不仅避免了生物污染，还通过甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MAPTMS)处理使水凝胶与基片形成共价键合，确保了结构的稳定性。

关键技术包括：1）自主开发的微型注射泵系统（精度±2 μm）；2）热键合工艺制备的透明微流控芯片；3）SLA打印机与流体控制系统的时空同步技术；4）基于激光功率（1-100%）和扫描速度（0.03-50 mm/s）的剂量调控体系。

研究结果方面：
3.1 系统集成：将注射泵模块垂直安装在打印机平台，通过四通微流控歧管连接芯片，实现了材料注入-光聚合-冲洗的自动化循环。
3.2 芯片特性：双面玻璃芯片经50°C热压成型后，可承受1 bar压力，85 μm通道高度可通过双面胶厚度精确调控。
3.3 打印流程：通过五次腔体体积的PBS冲洗（500 μL/min）有效防止材料交叉污染，荧光标记显示相邻材料间距可达20 μm。
3.4 图案性能：成功打印直径20 μm的PEGDA（红色荧光）和HAMA（绿色荧光）点阵，X-Y偏差<10%。通过叠加170 μm和255 μm通道，实现三维高度调控。
3.5 技术局限：高粘度水凝胶填充困难，且必须保留20 μm以上流道避免未聚合材料滞留。

结论部分指出，该方法首次在商用SLA打印机上实现20 μm精度的封闭式多材料打印，为构建血管网络模型和细胞迁移研究提供了新工具。特别是共价键合特性使其适用于荧光漂白恢复(FRAP)等定量分析。未来通过整合细胞负载水凝胶，可进一步发展类器官芯片平台。该成果发表于《Micro and Nano Engineering》，为微系统工程领域提供了高性价比的技术解决方案。