立体光刻3D打印微流控器件浸出行为及其化学稳定性研究

《Lab on a Chip》：Leaching behaviour of stereolithography 3D-printed microfluidicsOpen Access

　　

立体光刻（SLA）3D打印已成为制造微流控结构的标准工具，这得益于3D打印机技术和树脂材料的进步。SLA打印的微流控器件在许多应用中得到使用，这些器件经常暴露于多种溶剂中，从而可能从打印结构中浸出未反应的树脂组分，进而干扰器件功能。本研究考察了SLA打印结构在静态条件下外表面和流动条件下微流控表面的浸出行为，重点关注树脂类型、溶剂类型、后处理工艺、流体结构和内部流速等因素对浸出的影响。结合气相色谱-质谱联用（GC-MS）和高效液相色谱（HPLC）分析，研究人员从4种商业树脂的浸出液中鉴定出15种化学物种，包括单体和光引发剂。研究发现，增加后处理步骤总体上降低了浸出程度，其中单体比光引发剂受影响更大，但在任何情况下浸出均未被完全消除。对于微流控通道内的浸出，研究发现光处理并未显著降低浸出水平，这归因于结构外部区域对光的吸收。这些发现强调了彻底的后处理、谨慎选择溶剂以及优化流体流动条件对于提高SLA打印器件在流体应用中的化学稳定性和生物相容性的重要性。

立体光刻（SLA）3D打印微流控器件浸出行为的系统研究

一、研究背景与问题提出

立体光刻（Stereolithography, SLA）3D打印技术作为传统聚二甲基硅氧烷（PDMS）软光刻的替代方案，凭借其能够制造高度复杂和精细三维结构的能力，在微流控领域获得了广泛应用。相较于PDMS工艺中流体通道通常局限于单一平面，SLA打印技术能够构建复杂交织的微通道几何构型，因而被广泛应用于器官芯片、传感器（可穿戴传感器）、法医分析、环境监测、制药和流动化学催化微反应器等领域。

在这些应用中，SLA打印部件不可避免地暴露于从水和缓冲液到强有机溶剂的各种溶剂环境中。由于微通道固有的小尺寸特征，流体流动表现出低雷诺数和层流等独特行为，而微通道中较高的表面积与体积比（SAV ratio）显著增强了流体与固体表面之间的相互作用，极大提高了物质传输速率。这一特性在优化目标化学或细胞相互作用效率的同时，也放大了系统对污染的敏感性——从聚合物基体中浸出的任何未反应组分都可能进入受限体积内并迅速达到毒性浓度，严重威胁实验完整性。

目前市场上的SLA树脂成分主要包括形成聚合物骨架的单体和低聚物、吸收光并引发聚合反应的光引发剂，以及赋予颜色、柔韧性或耐久性等性能的添加剂。不完整的光聚合转化过程导致浸出问题尤为突出。已有研究表明，光聚合物浸出物可对斑马鱼胚胎造成致命氧化损伤，对牛胚胎产生内分泌干扰作用，甚至迁移至二次基材抑制PDMS的固化。尽管现有研究已探索了超临界二氧化碳处理、有机溶剂萃取和二次紫外光固化等后处理策略来缓解浸出，但这些方法几乎仅在外部几何结构上得到验证。在封闭的微流体腔内，标准溶剂萃取无法有效去除内部腔体中的未固化树脂，而后固化光也因外结构壁的吸收和散射特性而受到强烈衰减。此外，以往的分析工作主要依赖定性筛选，因此微流控内部通道的定量浸出动力学以及特定浸出物在不同后处理条件下的精确化学通量仍未得到阐明。上述问题构成了本研究开展的核心动因。

二、研究内容与技术方法

针对上述问题，研究人员对多种商业SLA树脂的浸出物进行了系统的定性和定量分析。研究采用了静态浸出实验（将3D打印部件浸入溶剂）和动态流动实验（溶剂流经微通道）两种模式，考察了商业树脂类型、SLA打印机类型、溶剂种类、后处理严格程度、表面类型、微流控结构等因素对浸出速率的影响，以及特定浸出物的化学通量在时间维度上的演化。研究主要使用了三种关键分析技术：（1）气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术进行定性分析，鉴定浸出物的化学组成；（2）高效液相色谱（HPLC）技术进行定量分析，测定各组分含量；（3）光传输测量系统，定量表征不同厚度SLA打印帽对固化光的吸收衰减特征。样本使用Hightemp、Biomed、Clear和Monocure四种商业树脂，采用Prusa SL1S和Form 3+两种打印机制备，溶剂包括水、甲醇、乙醇和异丙醇（IPA）等。

三、主要研究结果

**鉴定与量化化学浸出物**。通过GC-MS和HPLC相结合的定性定量分析，研究人员在所有样本浸出液中鉴定出15个持续出现的色谱峰，其中11个化学物种被成功鉴定，4个成分未知。鉴定出的化学物包括单官能团（甲基丙烯酸酯单体如HEMA、HPMA、冰烷丙烯酸酯IA和冰烷甲基丙烯酸酯IM）、双官能团（如HDDA、TPGDA、UDMA）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、以及光引发剂类物质（TPO-L、TPO和BAPO）。所有树脂的浸出物中均检出残留单体；每种树脂各检出一种光引发剂，且所有光引发剂均只在有机溶剂中浸出。

**后处理对浸出的影响**。研究系统比较了四种后处理方案（PP1至PP4），涉及IPA洗涤、光固化、热处理和超声辅助洗涤等步骤的组合。总体结果表明，随着后处理步骤的增多，浸出水平持续降低，但完全消除浸出在所有案例中均未实现。其中，光固化（PP2）是降低外部表面浸出水平最有效的单一步骤，单官能团单体的浸出水平随后处理增加呈单调下降趋势，而多官能团单体的降幅较小或不明显。三种光引发剂的氛围行为较为复杂，在甲醇和乙醇中几乎没有降低，在IPA中则呈现更一致的下降趋势。

**光吸收对固化效果的限制**。通过测量不同厚度SLA打印帽的光传输特性，研究发现随着厚度增加，光透过率急剧下降，表明大量光在距外部表面约1 mm的距离内即被吸收。这一发现直接解释了微流控通道外表面的限制性：壁厚≥2 mm时，标准光固化处理（PP2）与仅IPA洗涤（PP1）的浸出水平无显著差异，说明光固化仅对距离外表面1 mm以内的微通道有效。

**微流控通道浸出行为**。在动态流动实验中，研究发现在相同的乙醇处理条件下，微流控通道内壁的浸出水平显著高于外部表面。壁厚4 mm的微通道经PP1和PP2处理后，仅2小时停留时间的浸出水平分别比7天外部浸泡实验高5倍和15倍。研究进一步分析了SAV比的影响，通过对比具有不同表面-体积比的实验发现，浸出增加的主要原因是光穿透受限，而非SAV比差异。

**浸出动力学与流速效应**。流速对微通道浸出行为有强烈影响：将流速从50 μL min?1降至5 μL min?1，总峰面积分别增加5.7倍（水）和12.5倍（乙醇）。时间序列实验显示，浸出浓度随时间呈幂律衰减（C~1/t），这与溶剂以恒定速度沿浓度前沿逐渐渗透SLA打印部件的Ⅱ型扩散机制一致。长期的乙醇流动态（24小时）可将浸出水平降低两个数量级以上，表明溶剂注射预处理可能成为敏感性应用中的替代高效后处理方法。

**打印机差异**。通过控制比较实验发现，Form 3+打印部件的静态浸出水平比Prusa SL1S打印的低约2倍（PP1处理条件），且随后续后处理的减少趋势更明显。这可能归因于两种打印机的固化机制差异：Form 3+采用逐体素线性扫描，而Prusa SL1S采用掩膜整体曝光，导致打印件内部的交联程度不同。

四、总结与结论

本研究的讨论部分指出，浸出物中残留单体的存在及其化学性质、毒性与树脂基体交联反应的不彻底性和部分物质在水-有机溶剂中的选择性浸出行为，共同决定了SLA打印器件的化学稳定性。研究结论部分的核心发现包括：（1）GC-MS和HPLC分析共在四种树脂的浸出液中鉴定出15种主要化学物种（11种已鉴定），并伴有多种低浓度的未鉴定峰。（2）乙醇、甲醇和IPA外部表面浸出水平远高于水。（3）Biomed和Hightemp树脂抗浸出能力最强，Clear居中，Monocure稳定性最弱。（4）光固化和后处理的强化处理下，浸出水平可显著降低但无法完全消除。（5）位于外部边界1 mm以上的微通道受标准UV处理（PP2）影响甚微，而强化后处理（PP5）可使浸出浓度降低约50%。（6）溶剂预流可作为有效的替代后处理策略，能将浸出率降低两个数量级以上。

总之，本研究通过定性与定量的分析手段，系统揭示了SLA打印微流控器件在溶剂环境下的浸出行为及其关键影响因素，为优化SLA打印器件的后处理工艺、溶剂选择和流道设计以提高其化学稳定性和生物相容性提供了重要的理论和实验依据。