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研究人員開發(fā)3D打印液滴乳劑微流控芯片

在'利用Ninjaflex長絲3D打印一種能產(chǎn)生液滴乳劑的微流控芯片'的論文中,來自阿肯色大學(xué)的羅伯特·安德魯斯為他的論文項(xiàng)目和論文打印了一種新穎的微流體系統(tǒng)。使用NinjaFlex長絲,該過程以液滴乳劑和生物醫(yī)學(xué)(生物微機(jī)電系統(tǒng))項(xiàng)目為中心。

液滴乳劑法
   該項(xiàng)目的另一個(gè)主要元素是開發(fā)芯片實(shí)驗(yàn)室,同時(shí)深入研究小型化(技術(shù)縮小到更小的環(huán)境中),具有以下優(yōu)點(diǎn):
?減少必要的樣本量
?縮短實(shí)驗(yàn)室流程的反應(yīng)時(shí)間
?實(shí)驗(yàn)室流程的移動(dòng)性更強(qiáng)
     在芯片實(shí)驗(yàn)室方案中,規(guī)模大約為10-1000微米,但制造這種環(huán)境的許多常見工藝耗時(shí)且成本昂貴,這就是為什么3D打印是如此具有吸引力的小型化介質(zhì)的原因。安德魯斯指出需要合適的流體流動(dòng),這種流體流動(dòng)發(fā)生在壓力梯度或柔性膜片上,并且必須沿微流體通道流動(dòng)?!案鶕?jù)隔膜的材料和厚度,需要不同的壓力和頻率才能達(dá)到一定的流速?!卑驳卖斔贡硎?,“作為旁注,這些隔膜既可用于改變微通道的寬度,或在壓力超過某一臨界值時(shí)用作止回閥(足以使隔膜的位移等于微流體通道的直徑)?!?/p>

  在他的論文項(xiàng)目中,安德魯斯在設(shè)計(jì)微芯片的同時(shí),也在研究打印工藝的局限性。微流體液滴分離器將在一系列應(yīng)用中發(fā)揮作用,包括血液監(jiān)測(用于凝塊)、食品安全化學(xué)檢測以及在藥物中發(fā)現(xiàn)新藥物。作者還指出,與更傳統(tǒng)的方法相比,使用NinjaFlex長絲創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)是多么有益。“NinjaFlex長絲而不是ABS中的3D打印對于生成微流體系統(tǒng)的特定應(yīng)用具有一個(gè)固有的優(yōu)勢。NinjaFlex長絲的楊氏模量為12 MPa,而ABS的楊氏模量為2.05 GPa。這導(dǎo)致ABS的剛度大約是NinjaFlex的170倍?!卑驳卖斔箤懙?。
     “這種剛度降低有利于微流體系統(tǒng)的制造,因?yàn)檫@些系統(tǒng)可能需要執(zhí)行器來彎曲,以產(chǎn)生流體流動(dòng)。在Ninjaflex中產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)所需的壓力要比在幾何相似的ABS樣品中產(chǎn)生相同的偏轉(zhuǎn)所需的壓力小得多。”通過“反復(fù)試驗(yàn)”,安德魯斯能夠找到制造芯片的最佳打印參數(shù)。還有一些關(guān)于芯片設(shè)計(jì)的擔(dān)心,關(guān)于主要的堵塞缺陷,第一次打印有點(diǎn)粗糙,包括:
?打印質(zhì)量失真
?出口堵塞
?芯片太厚
?微通道或隔膜不可見
    “就3D打印機(jī)本身而言,人們注意到在這種擠出機(jī)溫度下經(jīng)常發(fā)生堵塞?!弊髡弑硎?, “因此,溫度升高到250攝氏度。在擠出機(jī)溫度下,發(fā)生堵塞的頻率要低得多。關(guān)于下一次迭代中的設(shè)計(jì)更改,芯片頂部在零件文件中移除,使通道可以從上面看到。微芯片的頂部不是由Ninjaflex構(gòu)成,而是由玻璃芯片覆蓋?!?br />       Angled Junction Version 3芯片是第一個(gè)用于液滴乳化的芯片,因?yàn)橛镁G色食品染料著色的水被過濾以確保通道沒有被堵塞。微通道變綠了,但安德魯斯指出長絲和玻璃之間的粘合不是很好。水從芯片中泄漏出來,最終從基板上分離出來。

微芯片首次打印的底視圖

在繼續(xù)精煉之后,安德魯斯能夠降低流量,同時(shí)油側(cè)壓力保持相同的水平。隨后,每隔一段時(shí)間就會(huì)產(chǎn)生“大小一致”的液滴。

左側(cè)油滴形成的油側(cè)壓力為2.5磅/平方英寸,水流速為25微升/分鐘。

     “微芯片的最終設(shè)計(jì)有多種改進(jìn)方法。首先,可以減小通道的直徑以減小液滴的尺寸。但是,通道不能太小以致于被阻塞。而且,隔膜可以在出口通道的任一側(cè)上實(shí)施。通過驅(qū)動(dòng)這些隔膜,可以改變微通道尺寸,從而精確地控制液滴的尺寸。芯片可以做得更厚,以使管接頭有更多的表面可以抓住。”安德魯斯總結(jié)道。“實(shí)驗(yàn)的總體設(shè)計(jì)也可以改進(jìn)。與使用氮?dú)夤拮鳛閴毫υ聪啾龋褂米⑸浔每梢愿玫禺a(chǎn)生油流量。由于泵送油不需要太大的壓力,而氮?dú)夤薏粔蚓_,無法產(chǎn)生可靠且穩(wěn)定的油流量?!?br />      未來的研究和工業(yè)創(chuàng)新形式多種多樣,但可能與我們許多人想象的不同;例如,從小型化到流動(dòng)通道小型化到連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器,以及用于小型化和微流體的不同材料和工藝,小型化正變得越來越普遍。


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