一种增强的打印-暂停-打印策略用于模块化立体光刻微流控器件，集成嵌入式光学通道和功能化模块

《Micro and Nano Engineering》：An enhanced print-pause-print strategy for modular stereolithography microfluidics with embedded optical access and functional integration

　　

立体光刻（Stereolithography, SLA）能够快速制造具有复杂几何形状的刚性微流控器件，但光学和功能化组件的集成仍具挑战性。特别是，玻璃元件的嵌入常导致界面缺陷、不完全聚合和机械强度降低。在本研究中，研究人员提出了一种增强型打印-暂停-打印（print-pause-print, PPP）工作流程，用于制造集成玻璃光学界面和功能化模块的模块化SLA微流控器件。该方法在制造过程中插入玻璃盖玻片，并结合中间固化步骤，以聚合被困在玻璃-树脂界面的残余树脂。这一额外处理步骤改善了界面结合，使器件能够承受高达3?bar的压力而不发生界面失效，并实现无泄漏操作。所得到的架构结合了玻璃的光学质量与SLA打印的结构刚性，同时保留制造后插入功能化模块的兼容性。流体动力学表征显示稳定的层流共流行为，与数值模拟结果高度一致，表明组件集成未改变通道几何形状或流动特性。通过插入电极功能化模块，在连续流下实现电场诱导的颗粒位移，进一步展示了平台的通用性。这些结果表明，该策略在单一SLA制造的微流控平台中实现了光学可及性、鲁棒密封和功能化适应性的结合。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
微流控技术在化学分析、生物研究、医学诊断和环境监测等领域已成为关键工具。器件制造日益依赖快速原型技术，以兼顾设计迭代速度、机械鲁棒性和功能集成能力。聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）因加工简便和与软光刻兼容而广泛使用，但PDMS器件在压力下易发生流动诱导变形，并可能对小分子产生溶胀或吸附，限制其在苛刻实验条件下的应用。玻璃和热塑性塑料等替代材料机械稳定性更好，但需多步制造和键合，增加工艺复杂度。立体光刻（Stereolithography, SLA）作为快速制造刚性微流控器件的替代方案，能直接由数字设计生成三维结构，显著缩短制造时间并实现传统方法难以获得的几何形状。然而，SLA仍面临挑战：通过打印树脂结构进行光学观察常受光散射和透明度限制，且功能组件（如电极、传感器、光学元件）在单片打印架构中的集成仍困难。现有研究尝试通过优化打印参数或采用专用材料配方（如硅石负载纳米复合材料经热脱脂烧结）改善光学性能，但主要聚焦于改变打印材料本身。另一种策略是将增材制造与独立制备的功能元件结合，打印-暂停-打印（Print-Pause-Print, PPP）工作流程提供了一种灵活途径：在打印过程中有意中断，插入外部组件后继续制造。然而，在SLA打印器件中可靠集成刚性组件仍面临挑战，尤其需要严格控制打印结构与插入组件之间的界面，否则可能导致泄漏、光学伪影或可靠性下降。为此，研究人员提出了增强型PPP工作流程，旨在集成玻璃光学界面，同时兼容制造后功能模块插入。相关成果发表在《Micro and Nano Engineering》。

**研究内容与意义**
研究人员开发了一种增强型PPP策略，用于制造模块化SLA微流控器件。该策略在制造过程中嵌入玻璃盖玻片以提供高质量观察窗口，并引入中间固化步骤促进玻璃-树脂界面聚合，实现鲁棒密封。器件架构还包含凹槽，用于制造后插入功能模块。通过压力测试、流体动力学表征和可插入电极模块的电驱动实验，验证了平台的光学可及性、机械鲁棒性和功能适应性。结果表明，该策略实现了光学质量、密封强度和功能模块化整合，为快速原型定制多功能微流控系统提供了实用框架。

**关键技术与方法**
（不超过250字）
研究人员采用DWS DigitalWax 029?J+打印机和DS3000透明生物相容性光固化树脂，通过SLA制造器件。关键方法包括：（1）PPP工作流程：在打印至微通道侧壁和流体连接完成后暂停，插入玻璃盖玻片（VWR，ref. 631–0143）于专用凹槽，然后恢复打印；插入前对玻璃盖玻片进行O₂等离子体活化（100?W，0.5?mbar，5?min）和3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（MAPTMS）硅烷化处理，以增强界面粘附。（2）中间固化步骤：在插入盖玻片后，用激光重新曝光玻璃下方层，聚合界面残余树脂。（3）电极模块制造：通过光刻、物理气相沉积（PVD）制备钛/金叉指电极（10对，间距5?μm），再经原子层沉积（ALD）沉积Al₂O₃钝化层和光刻胶保护层，最后切割为6?mm×10?mm的插入模块。无样本队列来源。

**研究结果**
**2. Fabrication of the microfluidic platform**
通过PPP流程制造器件，插入玻璃盖玻片并实施中间固化步骤，消除了界面白色染色伪影，实现了无泄漏密封。压力测试表明，器件在高达3?bar压力下无界面失效，继续加压时失效源于盖玻片断裂而非界面分离，证明玻璃-树脂界面粘附强度高。

**3. Fabrication of the electrode modules**
独立制造电极模块，验证了PP流程与制造后功能集成的兼容性。测量显示，有/无凹槽和插入模块的器件主通道宽度平均约486?μm，偏离设计值500?μm小于3%，模块插入后平均宽度不变，表明PPP流程保持通道几何保真度。

**4. Hydrodynamic characterization**
通过共流实验评估流体动力学性能。在0.1?mL/min流速下，DPBS（Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline）与荧光标记物溶液稳定分层，界面清晰，无泄漏。数值模拟（COMSOL Multiphysics）与实验的界面位置（50%荧光强度定义）一致，且有无插入模块时行为相同，证明PPP集成未引入流体动力学扰动。

**5. Electrical actuation using electrode inserts**
插入电极模块后，施加20 V_pp、10?MHz正弦电压，在连续流下观察荧光微球（9.9?μm直径）轨迹。施加电场后，微球平均位置从电极侧向通道中心偏移，撤去电场后恢复；颗粒轨迹在激活期间展宽并呈现净漂移，延迟约5–10?秒，表明驱动机制为电热诱导流而非瞬时介电泳力。控制实验（FITC溶液无颗粒）显示电场改变了整体流场，系统实现可控、可逆的颗粒轨迹调制。

**总结与讨论**
研究人员总结，所提出的PPP工作流程为开发模块化SLA打印微流控系统提供了实用框架，结合嵌入式光学通道和制造后功能集成。通过嵌入玻璃盖玻片和中间固化步骤，实现了打印结构与组件之间的鲁棒界面，同时保留SLA制造的快速原型能力。流体动力学和电驱动实验表明，嵌入和可移除组件不影响器件操作，并能主动与流动样品相互作用。该策略可推广至混合微系统，其中功能模块（如电化学传感电极、光纤、光子波导、MEMS传感器）可独立设计优化并集成到单一3D打印平台，仅交换功能模块而保留流体骨架，减少死体积并保持密封。

**研究结论翻译**
本研究中，研究人员介绍了一种基于打印-暂停-打印（PPP）的制造策略，用于开发模块化立体光刻打印微流控系统，该系统结合了嵌入式光学通道和制造后功能集成。通过制造过程中嵌入玻璃盖玻片并引入中间固化步骤，所提出的工作流程能够在打印结构与嵌入组件之间形成鲁棒界面，同时保留SLA制造的灵活性和快速原型能力。所得到的架构结合了高质量光学可及性以及独立于微流控制造过程集成功能模块的可能性。通过流体动力学和电驱动流动实验，研究人员证明嵌入和可移除组件可以纳入而不损害器件操作，同时允许与流动样品主动交互。