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本文介绍了一种创新的多相流辅助原位3D打印方法，它集成了光学反馈对齐与流体控制技术，旨在克服传统立体光刻（SLA）在微流控器件制造中面临的多材料集成与封闭通道内微结构制造的挑战。该方法利用水相两相系统（ATPS）实现流动控制下的逐层打印，并通过单应性变换进行图像引导对齐，实现了在封闭微通道内高精度、空间可控的复杂三维结构与多材料图案的直接制造。该技术为面向芯片实验室（lab-on-a-chip）应用的高保真度微加工提供了新工具。
引言
增材制造正在改变微流控器件的原型设计与制造方式。在众多3D打印方法中，立体光刻（SLA）因其高分辨率和设计灵活性，已成为微流控领域的主导技术，广泛应用于芯片实验室（lab-on-a-chip）领域。然而，传统SLA存在固有的局限性，例如在多材料集成以及封闭通道内的微结构制造方面存在挑战，这阻碍了更复杂微系统的发展，尤其是在分析分离和组织工程应用中。为应对这些挑战，本研究团队基于先前报道的原位3D聚合（IS-3DP）概念，提出了一种多相流辅助的原位3D打印方法。
材料与方法
该系统集成了流体控制与光学反馈对齐两大核心模块。打印所用的水相两相系统（ATPS）由葡聚糖（Dextran）作为阻隔相，聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）作为打印相。通过改变葡聚糖溶液的浓度（5%、10%、15%、20% w/v），可调节其粘度，从而实现打印层厚度的动态控制。粘度测量使用布鲁克菲尔德粘度计完成。
打印硬件由一个定制的铝制框架构成，集成了电机驱动的XYZ平台和打印工作台。光源采用商业紫外（UV）投影仪（波长405 nm），流控系统使用商用注射泵进行精确流量控制。微流控芯片使用SLA 3D打印制造，并采用旋转干燥（SD）法进行后处理，以确保通道的高光学透明度。
打印图案通过CAD软件设计并切片，生成PNG格式的投影掩膜。成像与分析使用可旋转平台的显微镜，以侧视观察多相流剖面。原位3D打印过程主要包括两个步骤：1）通过两相共流动态控制层厚；2）选择性光聚合。
结果与讨论
3.1 打印层厚度的动态控制
研究系统性地调查了不同粘度比的葡聚糖与PEGDA溶液在共流时对打印层厚度的影响。结果显示，更高的葡聚糖/PEGDA粘度比会导致更薄的打印层，这归因于更粘稠的葡聚糖相对PEGDA流施加了更强的剪切限制。当粘度比最高时，可获得最薄的打印层，约为通道总高度的10%。然而，高粘度比虽然提供了更精细的Z方向分辨率，但可实现的层厚调节范围较窄；而低粘度比则能提供更宽的动态打印范围。
3.2 通过单应性变换实现光学反馈对齐
为实现设计图案在任意微通道内的精确投影，研究集成了基于相机-投影仪的单应性校准系统。该系统通过投影一个8×5的点阵校准图案，利用OpenCV库和随机抽样一致（RANSAC）算法计算出一个3×3的单应性矩阵（H），从而建立投影仪图像平面与相机视野之间的空间对应关系。这使得在曝光前能够将投影掩膜与微通道几何形状进行精确对齐。
3.3 光学反馈对齐的表征
对单应性映射的准确性进行了评估。结果显示，重投影误差在构建区域中心最小，向边缘有所增加。所有试验的中位重投影误差约为9.29像素（~50.17 μm）。此外，通过对圆形、三角形和正方形几何形状的投影保真度进行评估，生成的混淆矩阵显示，系统具有较高的空间保真度，形状区域内的像素精确度在69.76%到77.32%之间，表明投影光基本被限制在预期区域内，仅有轻微的光晕效应。
为了便于用户操作，还开发了一个自定义图形用户界面（GUI），允许在曝光前对投影图案进行实时可视化、平移、旋转和缩放，实现了在微通道内的图像引导对齐。
3.4 复杂及多材料结构的原位3D打印
最后，研究展示了该方法在微通道内直接制造多层和多材料微结构的能力。成功打印了七层金字塔、五层立方体和桥状（含空腔）结构，证明了在封闭空间内制造复杂三维几何形状的高空间精度。此外，通过顺序切换不同分子量（575 Da和700 Da）的PEGDA树脂作为打印前体，实现了单层内具有独立可调Z向厚度的双材料图案打印。与需要切换树脂槽和清洗的传统多材料SLA不同，该方法的连续流动设置可刷新打印相，最大限度地减少了材料间的交叉污染。
局限性与未来研究
当前方法仍存在一些局限性。未来工作需要研究流动动力学与光聚合动力学在原位3D打印过程中的耦合效应。通道内非均匀的流速分布（如近壁面处的无滑移边界条件）可能影响局部曝光和聚合动力学。此外，打印层的表面形态存在非均匀性，可能源于流动剖面变化或通道内的二次环流效应。光学方面，投影图案边缘的光晕或散射光可能导致轻微过度聚合或清晰度损失。尽管目前使用PEGDA配方进行了演示，但该方法有望推广至更高粘度的树脂或功能性水凝胶等其他材料。未来的材料兼容性研究对于扩展该方法在微流控、微尺度分离和生物制造等更广泛领域的应用至关重要。一个直接的应用机会在于自适应微过滤和尺寸选择性分离系统，其中可以按需在微通道内制造或修改柱阵列或收缩结构。
结论
本文提出了一种集成了流体控制与光学反馈对齐系统的多相流辅助原位3D打印平台。该方法能够实现基于SLA的复杂三维几何形状及多材料组合在封闭微通道内的微加工。首先，通过调节多相系统的粘度比和流速，实现了打印层厚度的动态、便捷控制。其次，通过实施基于单应性的变换关联投影仪和相机坐标系，集成了光学反馈对齐机制，实现了投影掩膜与微通道几何形状的空间映射。映射的空间精度和投影保真度均经过评估验证。开发的自定义GUI便于在通道内对简单和复杂几何形状进行实时图像引导对齐。最后，通过制造（1）包括金字塔、立方体和桥状几何形状在内的复杂多层三维微结构，以及（2）具有独立定义Z向厚度的多材料图案结构，展示了该方法的独特能力。这种多相流辅助原位3D打印方法为在微流控器件中制造三维异质结构奠定了基础。只需稍加修改，该方法便可望应用于设计和制造面向组织工程、细胞表征以及分子分离与纯化的新型微流控方法。
