一種基于冰打印的微流控器件制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于冰的三維成型打印方法的微流控器件制備的方法。這種應(yīng)用冰打印制備微流控器件的方法的基本原理是：以打印溶液作為原料，通過(guò)冰打印方法形成的冰結(jié)構(gòu)作為微流控器件的骨架，然后用聚合物完成封裝形成微流控器件。其中冰打印方法的原理是：首先通過(guò)打印噴頭噴射出的微量打印溶液液滴，然后微小液滴噴射到低溫的襯底表面，液體被冷凍成為固態(tài)冰；打印噴頭被安裝在通過(guò)電腦控制的三維移動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)一層一層的疊加最終形成由三維冰結(jié)構(gòu)。并在實(shí)施例中，演示了利用冰打印系統(tǒng)制備一種液體預(yù)封裝的藥物釋放微流控器件。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于冰打印的微流控器件制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微流控器件制造領(lǐng)域，具體涉及一種基于冰的三維成型打印方法的微流控器件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微流控器件是基于微流控器件構(gòu)成的芯片。微流控器件因其能在微尺度下對(duì)液體進(jìn)行操控，使得其在生物醫(yī)療應(yīng)用上有極大地潛力。生物醫(yī)療應(yīng)用中一次性的要求，使得微流控器件的制備必須滿足低成本的要求。所以在微流控器件的制造過(guò)程中，一般需要通過(guò)對(duì)摸具進(jìn)行翻模來(lái)獲得聚合物的微流道圖形結(jié)構(gòu)。對(duì)于需要有液體封裝的微流控器件，比如藥物釋放微流控器件等。由于摸具的傳統(tǒng)工藝制備過(guò)程不能與微流控器件的加工工藝集成。所以需要封裝的液體需要在器件成型后，單獨(dú)注射到預(yù)留的腔體里。這極大制約了微流控器件在藥物釋放等領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明基于現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，提出了一種基于冰打印的微流控器件制備方法。
[0004]其基本原理是:通過(guò)以打印溶液作為原料，通過(guò)冰打印方法形成的冰結(jié)構(gòu)作為微流控器件的骨架，然后用聚合物完成封裝形成微流控器件。其中冰打印方法的原理是:首先通過(guò)打印噴頭噴射出的微量打印溶液液滴，然后微小液滴噴射到低溫的襯底表面，液體被冷凍成為固態(tài)冰，通過(guò)一層一層不斷的疊加最終形成由三維冰結(jié)構(gòu)。`
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘韵戮唧w的技術(shù)方案:
[0006]為實(shí)現(xiàn)基于冰打印的微流控器件制備方法，需要構(gòu)建一套冰打印系統(tǒng)，所述三維冰打印系統(tǒng)包括:密閉手套箱、打印噴頭、三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)、襯底制冷系統(tǒng)、打印溶液儲(chǔ)存盒、襯底。
[0007]所述的密閉手套箱具有氣體環(huán)境控制系統(tǒng)。
[0008]所述打印噴頭設(shè)置在所述三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)上；三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)控制打印噴頭在三個(gè)軸上的運(yùn)動(dòng)。
[0009]所述襯底制冷系統(tǒng)置于襯底底部，用于使襯底保持低溫狀態(tài)。
[0010]所述打印溶液儲(chǔ)存盒通過(guò)導(dǎo)管與打印噴頭連接，用于儲(chǔ)存和向打印噴頭輸運(yùn)用于三維冰打印的打印溶液。
[0011]所述襯底是任何表面可以達(dá)到打印溶液冰點(diǎn)以下的材料都可以使用。導(dǎo)熱好的材料更適宜做三維冰打印的襯底。
[0012]應(yīng)用所述的冰打印系統(tǒng)的微流控器件制備方法，其步驟是:
[0013]第一步，保持密閉手套箱內(nèi)部環(huán)境的干燥，內(nèi)部氣氛的水分露點(diǎn)溫度低于襯底制冷系統(tǒng)所需制冷溫度即可。
[0014]第二步，啟動(dòng)襯底制冷系統(tǒng)，并將襯底放置其上。使得襯底的溫度低于打印溶液的冰點(diǎn)。[0015]第三步，控制聯(lián)動(dòng)的打印噴頭和三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)，在二維平面完成掃描，使微小打印溶液液滴噴射到平面內(nèi)任意的指定位置。并不斷層層疊加，從而獲得三維冰結(jié)構(gòu)。
[0016]第四步，保持襯底和三維冰結(jié)構(gòu)的低溫，并將制備封裝微流控器件所需的聚合物液體。
[0017]覆蓋在襯底和三維冰結(jié)構(gòu)之上，并使之到達(dá)預(yù)定厚度并保持平整。
[0018]第五步，將覆蓋在襯底和三維冰結(jié)構(gòu)之上的聚合物固化，并與襯底結(jié)合，同時(shí)低溫保存整個(gè)器件和預(yù)封裝的藥物，使冰結(jié)構(gòu)完整。
[0019]第六步，在聚合物固化以后，在需要微流控器件需要貫通開(kāi)口處開(kāi)口。
[0020]本發(fā)明提出的基于冰打印方法的微流控制備方法簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低。在微流控器件制備過(guò)程中體現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，使得不同的打印溶液能與微流控器件制備過(guò)程相集成，從而制備出液體預(yù)封裝的微流控器件，并能用于大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明的方法有效的實(shí)現(xiàn)了與微流控器件加工工藝的集成，并可通過(guò)這種方法方便的制備有液體預(yù)封裝的微流體芯片，比如微流體藥物釋放器件等，體現(xiàn)出三維冰打印技術(shù)在微流控器件制造領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明提出的冰打印系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的微流體藥物釋放芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖(a)為俯視圖；圖6)為器件沿中心線的剖面圖。
[0023]圖3是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的微流體藥物釋放芯片的制備流程的剖面示意圖。
[0024]其中，1:密閉手套箱；2:打印噴頭；3:三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)；4:襯底制冷系統(tǒng)；5:打印溶液儲(chǔ)存盒；6:襯底；7:藥物儲(chǔ)液腔；8:功能微流道；9:藥物釋放孔；10:光固化聚合物；11:三維冰結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不能用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0026]為實(shí)現(xiàn)基于冰打印的微流控器件制備方法，需要構(gòu)建一套冰打印系統(tǒng)，三維冰打印系統(tǒng)包括:密閉手套箱1、打印噴頭2、三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)3、襯底制冷系統(tǒng)4、打印溶液儲(chǔ)存盒5、襯底6。所述的打印噴頭2、三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)3、襯底制冷系統(tǒng)4、打印溶液儲(chǔ)存盒5、襯底6都設(shè)置在密閉手套箱I內(nèi)。
[0027]所述的密閉手套箱I具有氣體環(huán)境控制系統(tǒng)，用于將系統(tǒng)與外界空氣隔絕，并通過(guò)干燥手段去除手套箱內(nèi)獲的水汽并始終保持干燥，防止在襯底制冷系統(tǒng)4上結(jié)霜。其中氣體環(huán)境控制可以使用帶分子篩的氣體循環(huán)系統(tǒng)來(lái)降低密閉手套箱I中的水蒸氣含量。
[0028]所述打印噴頭2用來(lái)產(chǎn)生和噴射微小打印溶液液滴到襯底6上。
[0029]所述三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)3用來(lái)控制打印噴頭2在三個(gè)軸上的運(yùn)動(dòng)，從而控制微小打印溶液液滴的打印位置。
[0030]所述襯底制冷系統(tǒng)4安置在三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)3的平臺(tái)上，并置于襯底6底部，用于使襯底6保持低溫狀態(tài)，從而使得微小打印溶液液滴能被冷凍成固態(tài)冰結(jié)構(gòu)。
[0031]所述打印溶液儲(chǔ)存盒5通過(guò)導(dǎo)管與打印噴頭2連接，用于儲(chǔ)存和向打印噴頭2輸運(yùn)用于三維冰打印的打印溶液，這里的打印溶液可以是各種溶于水的化學(xué)試劑或者是微納米顆粒，也可以是其他用于冰打印的溶液，例如環(huán)己烷等。
[0032]所述襯底6可以是各種材料，理論上講任何表面可以達(dá)到打印溶液冰點(diǎn)以下的材料都可以使用。導(dǎo)熱好的材料更適宜做三維冰打印的襯底。
[0033]利用上述冰打印系統(tǒng)，通過(guò)以下步驟可以實(shí)現(xiàn)基于冰打印技術(shù)的微流控制備方法:
[0034]第一步，保持密閉手套箱內(nèi)部環(huán)境的干燥，內(nèi)部氣氛的水分露點(diǎn)溫度低于襯底制冷系統(tǒng)4所需制冷溫度即可。例如，系統(tǒng)工作時(shí)襯底表面溫度為-10°C，則手套箱內(nèi)部氣氛的水分露點(diǎn)溫度應(yīng)低于-1o°c。
[0035]第二步，啟動(dòng)襯底制冷系統(tǒng)4，并將襯底6放置其上。使得襯底的溫度低于打印溶液的冰點(diǎn)。例如，使用冰點(diǎn)為0°c的純水作為打印原料，則應(yīng)使襯底6表面溫度低于0°C。
[0036]第三步，使用已編程的計(jì)算機(jī)控制聯(lián)動(dòng)的打印噴頭2和三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)3，在二維平面完成掃描，從而使微小打印溶液液滴噴射到平面內(nèi)任意的指定位置。并不斷層層疊加，從而獲得三維冰結(jié)構(gòu)。
[0037]第四步，保持襯底6和三維冰結(jié)構(gòu)的低溫，并將制備微流控器件所需的聚合物液體覆蓋在襯底6和三維冰結(jié)構(gòu)之上，并使之到達(dá)預(yù)定厚度并保持平整。所述的聚合物液體為:如PDMS，光固化聚合物等。
[0038]第五步，將覆蓋在襯底6和三維冰結(jié)構(gòu)之上的聚合物固化，并與襯底結(jié)合，獲得一定的強(qiáng)度，同時(shí)低溫保存整個(gè)器件和預(yù)封裝的藥物，使冰結(jié)構(gòu)完整。
[0039]第六步，在聚合物固化以后，在需要微流控器件需要貫通開(kāi)口處開(kāi)口。這個(gè)步驟可以在微流體藥物釋放器件需要使用時(shí)再操作。
[0040]本發(fā)明的實(shí)施例系利用基于冰打印的微流控制備方法制備的一種微流體藥物釋放器件，如圖2 (a)所示。此藥物釋放器件包括藥物儲(chǔ)液腔7，功能微流道8和藥物釋放孔
9。器件的剖面圖如圖2(b)所示，底層為襯底6，優(yōu)選為載玻片，其上的藥物儲(chǔ)液腔7和功能微流道8都通過(guò)三維冰打印方法由藥物打印溶液成型，封裝器件的為光固化聚合物10，優(yōu)選為樂(lè)泰3311光固化醫(yī)療器件用膠。藥物釋放孔9通過(guò)打孔器打通聚合物制備，可在使用前制備藥物釋放孔9。
[0041]本發(fā)明實(shí)施例采用三維冰打印方法的制備流程截面圖如圖3 (a)?(d)所示。第一步，通過(guò)三維冰打印系統(tǒng)將藥物打印溶液作為打印原料，在襯底6上打印出藥物儲(chǔ)液腔7和功能微流道8的三維冰結(jié)構(gòu)11。其中襯底溫度為-10°C，手套箱內(nèi)水分露點(diǎn)溫度為_(kāi)20°C，水蒸氣含量約為lOOOppmv。(見(jiàn)圖3(a))第二步，低溫保持三維冰結(jié)構(gòu)11，并且將光固化聚合物10覆蓋在整個(gè)襯底上并流平，聚合物要沒(méi)過(guò)整個(gè)三維冰結(jié)構(gòu)11。其中三維冰結(jié)構(gòu)11的厚度優(yōu)選為2mm，光固化聚合物10的厚度為4mm。(見(jiàn)圖3 (b))第三步，采用紫外光或自然光使得光固化聚合物10固化成型。(見(jiàn)圖3 (c))第四步，將器件從冰打印系統(tǒng)上取出，并利用打孔器制備藥物釋放孔9。(見(jiàn)圖3 (d))
[0042]本發(fā)明應(yīng)用的實(shí)施例中的微流體藥物釋放器件的工作原理為指壓式給藥方法。通過(guò)手指按壓藥物儲(chǔ)液腔7，藥物通過(guò)功能微流道8和藥物釋放孔9流出，完成給藥。同時(shí)也可以集成其他制動(dòng)器件實(shí)現(xiàn)多種驅(qū)動(dòng)形式，例如磁力驅(qū)動(dòng)，電解水驅(qū)動(dòng)和熱驅(qū)動(dòng)等?？梢杂卸鄠€(gè)藥物儲(chǔ)液腔7來(lái)儲(chǔ)存多種藥物打印溶液，功能微流道8可以實(shí)現(xiàn)打印溶液混合等功能，以獲得需要釋放的藥物成分。
[0043]此實(shí)施例驗(yàn)證了我們提出的基于冰打印方法的微流控制備方法在微流控器件制造領(lǐng)域內(nèi)的可行性。
[0044]最后應(yīng)說(shuō)明的是:顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本申請(qǐng)型的保護(hù)范圍之中。
【權(quán)利要求】
1.一種三維冰打印系統(tǒng)，其特征在于包括:襯底制冷系統(tǒng)、打印噴頭、三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)、打印溶液儲(chǔ)存盒、襯底.
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維冰打印系統(tǒng)，其特征在于:所述襯底制冷系統(tǒng)安置在三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)的平臺(tái)上，并置于襯底底部，用于使襯底保持低溫狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維冰打印系統(tǒng)，其特征在于:所述打印噴頭設(shè)置在所述三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)上；三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)控制打印噴頭在三個(gè)軸上的運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維冰打印系統(tǒng)，其特征在于:所述打印溶液儲(chǔ)存盒通過(guò)導(dǎo)管與打印噴頭連接，用于儲(chǔ)存和向打印噴頭輸運(yùn)用于三維冰打印的打印溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維冰打印系統(tǒng)，其特征在于:所述襯底是任何表面可以達(dá)到打印溶液冰點(diǎn)以下的材料都可以使用。
6.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的冰打印系統(tǒng)的微流控器件制備方法，其步驟是: 第一步，保持冰打印系統(tǒng)始終位于干燥氣氛中，原則上氣氛的水分露點(diǎn)溫度低于襯底制冷系統(tǒng)所需制冷溫度即可； 第二步，啟動(dòng)襯底制冷系統(tǒng)，并將襯底放置其上，使得襯底的溫度低于打印溶液的冰占.第三步，控制聯(lián)動(dòng)的打印噴頭和三維移動(dòng)平臺(tái)及伺服控制系統(tǒng)，在二維平面完成掃描，使微小打印溶液液滴噴射到平面內(nèi)任意的指定位置；并不斷層層疊加，從而獲得三維冰結(jié)構(gòu)作為微流控器件的骨架結(jié)構(gòu)； 第四步，保持襯底和三維冰結(jié)構(gòu)的低溫，并將制備微流控器件所需的聚合物液體覆蓋在襯底和三維冰結(jié)構(gòu)之上，并使之到達(dá)預(yù)定厚度并保持平整； 第五步，使覆蓋在襯底和三維冰結(jié)構(gòu)之上的聚合物固化，并與襯底結(jié)合，同時(shí)低溫保存整個(gè)器件和預(yù)封裝的溶液，使冰結(jié)構(gòu)完整； 第六步，在聚合物固化以后，在需要微流控器件需要貫通開(kāi)口處開(kāi)口。
【文檔編號(hào)】B81C1/00GK103861670SQ201410028217
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】張洪澤, 吳夢(mèng)希, 李輝, 余懷強(qiáng), 李志宏 申請(qǐng)人:北京大學(xué)