一种采用SU8、3D打印和软光刻设备制备PDMS微流体的通用方法外文翻译资料

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一种采用SU8、3D打印和软光刻设备制备PDMS微流体的通用方法

微流体器件由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，因为它们具有生物相容性，实验及制备过程完善且简便。基于PDMS的微流体装置通过两个方式制造：1、将液体PDMS注入模具型腔中成型（通常是硅或3D打印模具）；2、在设定时间内对PDMS材料进行曝光烘焙处理使其固化。3D打印模具中未反应的树脂单体会使得PDMS固化不完全导致成型缺陷从而影响PDMS器件的性能，使用SU-8作为3D打印模具上的涂层可以提高PDMS器件制造的成功率。通过接触角、表面轮廓、光学轮廓和力学测试证明：经过由 SU-8 处理的模具铸造而成的PDMS器件能保留PDMS的原始性能，这一点与未经处理的模具铸造的PDMS器件不同。此外，该方法可以使用不同的3D打印树脂并且推广到商业3D打印中使用。为了证明该技术在微流体装置中的可行性，使用了两种方式制造PDMS微流体树，并且发现在经过处理的3D打印模具中制造的微流体树能显示鲜艳的色彩和清晰的线条，而未经处理过的模具中未产生这一现象。

技术创新

来自 3D 打印的微流控设备存在来自受版权保护的树脂材料的生物相容性问题，而生物相容性聚二甲基硅氧烷 (PDMS)（使用软光刻）则存在分辨率问题。制作 3D 打印来制作 PDMS 铸件的主模具将解决这两个问题。 然而，由于 3D 打印中未反应的单体，该方法存在 3D 打印上的 PDMS 未固化的问题。 这里已经开发了一个协议，其中使用来自 3D 商用打印机的任何 3D 树脂进行 3D 打印可以制造 PDMS 微流体设备。协议步骤是简单添加 SU-8 旋转步骤，这会导致 3D 打印件的惰性表面和在任何 3D 打印件上铸造时完全固化 PDMS。 处理过的 PDMS 的特性使 PDMS 微流体通道更平滑，与原始 PDMS 一样亲水，可以进行等离子体处理以使其像普通 PDMS 一样亲水，并且在 100 micro;m 及以下的情况下完全类似于 3D 模具。

背景介绍

微流体已成为从基础研究到应用医学的许多应用的强大平台。这些器件可以使用多种技术快速制造，包括激光烧蚀、立体光刻、蜡印、层压和PDMS浇铸。最近，3D打印在无需软平版印刷的微流控器件制造方面显示出巨大的潜力。直接3D打印将制造协议简化为一个步骤，大大减少了从原型到产品的推进所需的时间，从而加快了研究并降低了将产品推向市场的成本。此外，3D打印机已经变得非常便宜，而且碳痕迹很小。

有几个因素限制了 3D 打印技术在软光刻中的能力。 这些限制不利于 PDMS 铸造，这是目前设备构造的黄金标准。 材料特性限制了微流体设备的直接 3D 打印。 3D 打印中使用的树脂成分不同，产生不同的化学机制，并且可能与 PDMS 的生物相容性不同。 3D 打印无法精确地为该设备生成中空和空隙结构，其结构的表面积与体积之比相当大。 3D 树脂的不透明性阻碍了直接的片上光学观察（与形成透明结构的 PDMS 不同）。 许多 3D 打印的生物相容性差，透气性降低，限制了它们在长期细胞研究中的用途。 多个小组试图通过使用基于挤压的打印方法直接 3D 打印 PDMS 设备来结合这两种方法的优势。 然而，打印 3D PDMS 设备所需的工艺直接与基于树脂的设备有许多限制。 直接打印的 PDMS 设备通常需要在 PDMS 预聚物或挤出 PDMS 细丝之间的横向融合过程中的最终结构中添加染料，从而限制了光学透明度。此外，直接 PDMS 打印分辨率很差，目前为 300 micro;m。 与基于挤出的打印不同，基于 SLA 的直接 PDMS 打印在微结构的制造中显示出前景：当使用光时，该方法产生的设计比基于挤压的打印具有更高的分辨率。 基于 SLA 的 3D 打印的优势促使研究人员探索制造 PDMS 母模的方法。

当前的商业 3D 打印机可以打印具有平面和伪 3D 微流体通道的树脂基软光刻 PDMS 主模具。如本文所述，3D 打印材料中存在的未反应树脂单体会干扰 PDMS 的固化反应，从而降低模具质量。 根据 3D 打印的模具表面特性，PDMS 会因固化不当而卡在多个位置。 这会在尝试移除设备时导致撕裂。已经开发了各种涉及物理和化学处理的技术来修改 3D 打印模具的表面特性，以防止 PDMS 粘附。 这些技术包括喷枪、利用薄膜和硅烷化。 然而，所有这些技术都存在固有的缺点。 喷枪是一个高度技术性的过程，需要经验才能产生最佳效果。此外，悬挂用于喷枪的结构的底面不易保护，抵消了 3D 打印的便利性。用超薄膜覆盖印刷模具也被证明可以防止 PDMS 与 3D 打印相互作用。 然而，膜的应用对于单步成型方案来说并非易事。 构建超薄膜（约 100 nm 厚）需要昂贵而精密的设备。 最后，硅烷化也被用于改善 3D 打印模具上的 PDMS 固化。 在这种方法中，模具通过气相沉积涂有有机硅烷自组装单层。 尽管硅烷化有效地防止了 PDMS 粘附在母模上，从而允许成功固化，但该方法需要刺激性化学品，这可能会在母模中引入表面裂纹。 此外，硅烷具有高度自燃性，需要用户小心谨慎，手套箱包含环境和训练有素的操作员以防止事故发生。 因此，迫切需要一种方便且简化的方法来处理 3D 打印模具以实现成功的 PDMS 铸造。

在这里，开发了一种使用负性环氧树脂光刻胶 SU-8 涂覆 3D 打印模具的方法，用于高分辨率保形和完全固化的 PDMS 铸件。 SU-8 因其简单的方法、成本效益和最少的操作员参与而被选择用于此目的。 该方法推广到3D打印母模； 母模由不同的树脂制成，由各种打印机制作，并经过 SU-8 处理，生产出高质量的 PDMS 通道。为了证明该方法的有效性，使用接触角测量、粘合剂测试、光学和表面轮廓测量来表征在处理过的 3D 打印模具中浇注的 PDMS 或“后处理 PDMS”。总体而言，这些测试的结果表明，与未经处理的 PDMS 相比，SU-8 处理母模可产生出色的 PDMS 结构，具有更高的分辨率、更容易处理和更兼容的表面化学性质。这通过制作微流体树来验证。 由未经处理的 PDMS 制成的微流控树具有过多的泄漏和塌陷的通道，而由处理过的 PDMS 制成的微流控树显示出极好的结果。

材料与方法

化学品和仪器

用于 PDMS 制造的化学品和设备包括来自 Micro 的 Sylgardreg;184 Dow Corning PDMS、SU-8 (2002)。 Chem (West borough, MA), 旋涂机 (VTC-100 Vacuum spin coating, Richmond, CA), 热板 (Benchmark, Sayreville, NJ), ELC-500 UV 曝光系统 (Electro-Life Corporation, Bethel CT）和等离子清洁器（Harrick Plasma，PDC-32G，Ithaca，NY）。 用于分析、表征和观察的仪器包括倒置明场显微镜 (Leica DMi1)、带有用于图像采集的高速相（ORCA-Flash4.0 LT PLUS 数字 CMOS 相机）的正置荧光显微镜 (Olympus BX50)、表面分析 使用来自布鲁克仪器的光学（Bruker Contour GT-I 3-D）和表面（Dektak-XT stylus profiler）轮廓。

3D打印微流控设备制造

为 PDMS 制造设计了两种类型的 3D 打印模具：用于机械和光学分析的微流体树和单通道。两种设计均使用 AUTOCAD 2015 建模。3D 打印模具在 Zahn 中心制造。 Zahn 中心不对他们的模具进行后处理。 Zahn Center 使用 Vero 黑色树脂来打印 3D 模具。Vero 树脂是具有光滑表面的塑料材料。 Vero 树脂在室温下具有刚性可塑性，可由丙烯酸异冰片酯、丙烯酸单体、聚氨酯丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、丙烯酸单体、丙烯酸低聚物和光引发剂聚合而成。 在这两种 3D 打印模具中，3D 打印都使用了 25 micro;m 的分辨率。 每个设计都印有递增变化的树和通道高度。单通道打印高度为 50、75、125、150、175 和 200 micro;m，恒定宽度为 150 micro;m。 微流控树的打印高度为 100 和 200 micro;m，宽度恒定为 150 micro;m。 两个模具的底高均为 1 mm。

SU-8 处理和 PDMS 铸造

SU-8 处理的模具通过以 1,500 rpm 的速度旋涂 SU-8 2002 10 秒，然后以 3,000 rpm 的速度旋转 30 秒来制备，在模具表面形成 2 micro;m 厚的 SU-8 2002 层。 然后将模具在 95°C 下软烘烤 60 秒并冷却 5 分钟（图 1a）。 将模具暴露在紫外线下 2 分钟，然后用 SU-8 显影剂显影 60 秒，然后用水冲洗并用氮气干燥。 模具处理后，将 PDMS 预聚物和固化剂以 10:1 的比例混合并倒入含有处理过的模具的培养皿中。 模具应朝上，以使 PDMS 符合模具设计。 将培养皿置于真空干燥器中，以去除混合过程中 PDMS 中产生的任何气泡。 一旦气泡消失，将培养皿放入热空气烤箱中并在 70°C 下烘烤 3 小时以使 PDMS 固化。 3 小时后，将 PDMS 从 3D 打印模具和培养皿中小心剥离。 固化的 PDMS 在 ICP 等离子体系统（300 mTORR，RIE 功率 8.5 W）中等离子体处理 10 秒，然后粘附到载玻片上以进行进一步测试。 使用 BD precisionGlidetrade; 针 (0.7 mm times; 25 mm) 在 PDMS 通道的入口和出口钻孔。 使用 BD 注射器通过针头将三种不同的食物颜色（红色、蓝色和黄色）注入通道。 使用佳能 ELPH160、8 倍光学变焦相机对生成的通道进行成像。

结果与讨论

SU-8效果的实验观察

其他研究人员已经证明，由于未反应的单体 24、25，PDMS 无法在未经处理的 3D 打印模具上正确固化。

因此，额外的制造步骤可以提高从 3D 打印模具（如将 SU-8 旋涂到 3D 打印模具上）铸造的 PDMS 结构的分辨率和去除，如图 1a 所示。 未加工的模具达到预期状态； 没有观察到弯曲和开裂等物理问题。 最初，3D 打印模具用于 PDMS 铸造，无需任何处理方法（以下称为未经处理的模具）。 据观察，根据 3D 打印模具表面的特性，PDMS 经常会因固化不当而卡在某些区域。 这会在尝试移除设备时导致撕裂。 然而，确保每种 3D 打印树脂的表面化学成分与 PDMS 兼容是非常耗时的。 这里提出了一种方法，其中在固化 PDMS 之前使用聚合物涂覆模具表面。

之所以选择 SU-8，是因为它很容易遵循协议并在表面均匀地涂上一层薄至 2 micro;m 的涂层。 遵循使用 SU-8 2002 的微量化学处理指南27。 PDMS 在经过 SU-8 处理的模具（以下称为处理模具）上固化。

PDMS 在经过处理和未经处理的模具上固化。 烘烤后在未经处理的模具上观察到残留的 PDMS（图 1a），表明 PDMS 没有完全固化。 在对未经处理的模具进行 SU-8 处理后，PDMS 完全固化并容易剥离（图 1b）。 据推测，(1) 未加工模具中的活性树脂可能会破坏 PDMS 固化过程中交联键的形成；(2) 固化 PDMS 和 SU-8 之间的疏水性差异有助于容易剥离。

PDMS 通道比未经处理的模具更容易从处理过的模具表面剥离。 此外，经过处理的模具铸造的 PDMS 显示出比未经处理的模具更好的结构分辨率； 与未经处理的模具相比，在处理过的模具中铸造的微流控树具有更光滑的边缘和更均匀的通道（图 2）。 这些观察结果表明，用 SU-8 处理 3D 打印模具有几个好处：促进 PDMS 完全固化、促进固化的 PDMS 更容易去除以及提高微结构分辨率。

处理和未处理的 3D 模具的表征

为了进一步说明 SU-8 处理过程的功效，使用许多物理和分析测试对来自处理和未处理模具的 PDMS 进行了表征。 这些测试还允许调查为什么 PDMS 不能在未经处理的模具上固化。 使用 LAS EZ V3.0 使用 Leica DMi1 倒置显微镜在明场中使用 10 倍物镜对来自已处理和未处理模具的 PDMS 的光学图像进行成像。 进行标准对接测试以确定处理和未处理的模具与 PDMS28 之间的粘合性能。 单轴载荷通过 MTS 万能试验机施加到模具和设备上（图 3a）。 测试系统包括一个从顶部和底部固定设备的负载框架，以及一个液压泵。 对于这些测试，使用 MTS 的 1kN 称重传感器进行更精确的测量（图 3b）。断裂点发生在 3D 打印模具与 PDMS 设备分离时。 使用 MTS TestSuitetrade; TW Elite 软件记录数据（图 3c）。 从 3D 打印模具中去除 PDMS 所需的力在经过处理和未经处理的模具之间有所不同。 从未经处理的模具中剥离 PDMS 所需的力约为 63.7574 N，而从处理过的模具中去除 PDMS 所需的力仅为 48.5287 N。这表明 PDMS 可以更容易地从处理过的模具中剥离，从而导致显着 剥离过程中对柔性 PDMS 的损伤较小。

测量表面粗糙度、表面能和表面轮廓的分析测试在处理过的和未处理过的模具以及从这些模具中铸造的 PDMS 上进行。 使用光学轮廓仪分析处理过和未处理过的模具和 PDMS 表面（图 4）。使用放大 20 倍的 Bruker ContourGT-I 3D 光学干涉显微镜在 1,261.65 micro;m times; 1,261.65 micro;m 区域拍摄光学轮廓。 该系统具有自动倾斜/倾斜光学头，可测量和绘制 3D 表面特征。 Vision64 用于显示设备的 3D 图形地图（图 4a

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