3D打印一体化多功能聚合物声流控器件：具有可调谐混合与颗粒聚焦功能

《Lab on a Chip》：3D printing monolithic, multifunctional polymer acoustofluidic devices with tunable mixing and particle focusing

　　

摘要 声学力为微流控芯片实验室（lab-on-a-chip）系统内颗粒和流体的操控提供了一种强大、无接触的模态。然而，实现声学操控的全部潜力一直受限于传统基于洁净室的制造方法。这些方法通常使用硅或玻璃等高声阻抗材料制造，由于微加工固有的平面通道几何结构，导致器件设计复杂度有限。本文介绍了一类基于聚合物的声流控平台，采用微数字光处理（μDLP）3D打印技术制造。与微加工相比，这种增材制造方法能够在一体化器件形态中实现复杂、真正的三维（3D）微流控结构。研究人员展示了克服低声阻抗聚合物树脂相关挑战的策略，并基于对通道及周围材料尺寸（例如，壁厚）的精确控制建立了设计规则，以实现稳健的声流控功能，包括基于尖端的有效混合以及利用体声波（BAW）共振模式实现有效的颗粒聚焦。通过利用增材制造提供的设计自由度，研究人员制造了一个由单个压电元件驱动的集成一体化器件，该器件通过工程化的3D通道结构变化，在空间不同的区域内依次执行声学混合和聚焦。这项工作通过展示如何对通道几何结构进行真正的3D架构控制，从而在扩展的功能设计空间内实现集成、多功能的聚合物声流控器件，确立了μDLP增材制造作为下一代声流控平台的关键推动者。

1. 研究背景、问题与研究动机

在微流控芯片实验室技术的发展中，对微尺度组分在流体中进行受控空间操控是关键挑战之一。声学力作为一种无接触的作用力，在操控悬浮物（如颗粒、细胞、类器官）和复杂流体流动方面展现出巨大潜力，因其作用依赖于材料的内在属性而非外在标记，具有材料非特定性、生物相容性好等优点。声流控（acoustofluidic）器件主要利用声流（acoustic streaming）和声辐射力（acoustic radiation force）分别实现溶液混合和颗粒定位。

然而，传统声流控器件的制造主要依赖洁净室环境和高资本投入的工艺（如光刻、深反应离子刻蚀），在硅或玻璃等高声阻抗材料中形成微流控通道。这些方法通常导致器件设计局限于平面几何结构，复杂度有限。虽然已有研究尝试使用聚合物材料（如聚二甲基硅氧烷PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA）来替代，但聚合物较低的声阻抗会导致声波反射效率降低，共振行为与高声阻抗材料平台不同，限制了其性能和应用广度。因此，迫切需要建立一套适用于聚合物材料的新器件设计参数。

增材制造（additive manufacturing），特别是立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP），为克服传统制造限制带来了希望，它能够实现真正的三维微流控结构。尽管当前3D打印分辨率可能不及洁净室工艺，但其独特优势在于能够制造传统方法难以或无法实现的复杂几何结构，这有助于实现更有效的声泳（acoustophoretic）器件性能。本研究旨在探索并确立利用3D打印技术制造高性能聚合物声流控器件的设计原则与方法。

2. 主要关键技术方法

本研究所采用的关键技术方法可概括为以下几点：

1. 1.
   器件制造：使用微数字光处理（μDLP）树脂打印机（MiiCraft Profluidics 285D）和专为微流控应用的树脂（MiiCraft BV-007A），以50 μm的层厚一体成型打印所有声流控器件。打印后进行包括异丙醇（IPA）浸泡、去离子水冲洗、超声清洗、压缩空气干燥、紫外固化（UV-curing）和热处理在内的后处理流程。
2. 2.
   实验系统搭建：构建了一个定制实验系统，由函数发生器、电源、放大器和压电元件组成，用于在3D打印器件内产生特定的声场。实验通常使用1 MHz频率和45 V_pp的峰峰值电压。器件通过粘合剂固定在压电换能器上，并利用导热胶带连接到冷却块以散热。
3. 3.
   流体操控与成像：使用注射泵提供精确的微流体流动。对于混合实验，使用荧光素钠盐溶液和蓝色染料溶液作为示踪剂，并在紫外光下进行荧光成像。对于聚焦实验，使用悬浮在硅油中的黑色聚乙烯微球（BPPM-SI）或悬浮在荧光素溶液中的橙色荧光聚合物微球（OFPM-FSS），并采用明场显微镜进行观察。还使用了链霉亲和素磁珠（MB-STRP）和生物素化过氧化物酶（Biotin-HRP）进行模型亲和测定。
4. 4.
   数据分析：通过计算混合指数（MI）来量化混合性能，MI值范围从0（未混合）到1（完全混合），以0.9作为充分混合的阈值。使用MATLAB脚本从获取的图像中计算MI。对于模型测定，通过紫外-可见光谱（UV-vis）分析来评估捕获效率。

3. 研究结果

3D打印声流控：声学混合

研究人员设计了一种包含一系列尖端特征（尖峰）的Y型通道混合器。声激励会诱导尖端振动，产生强烈的声流，从而促进快速流体混合。实验评估了在3、6和9 μL min^-1流速下的混合性能。结果表明，在施加声场后，混合指数（MI）迅速增加并稳定在0.9以上，达到了充分混合的阈值。分析显示，随着通道长度（尖峰数量）增加，混合效果因扩散而逐渐改善；而声场激活后，MI值在整个通道长度上骤然升高并保持在高位，证明了声泳力在3D打印器件中促进混合的有效性和鲁棒性。

3D打印声流控：声学聚焦

在低声阻抗聚合物树脂中实现有效的颗粒聚焦，需要精细调整器件几何结构以优化声波反射条件。研究表明，顶部（t_top）和底部（t_bottom）的厚度对于建立稳定的压力节点至关重要。通过系统研究，确定了针对硅油介质（BPPM-SI）和水基介质（OFPM-FSS）的优化器件尺寸。实验证明，在施加声场后，两种介质中的微球均能迅速迁移并聚集在通道中心的压力节点处，形成单一线流。这突出了在树脂基3D打印声流控器件中，通过尺寸调谐来克服低声阻抗材料固有局限性的重要性。

3D打印扩展了声流控的设计空间：集成式单压电器件

验证了3D打印芯片可独立实现声学混合和聚焦后，研究人员利用增材制造的设计自由度，制造了一个独特的、由单个压电元件驱动的集成器件，该器件在一个平台上顺序执行混合和聚焦功能。该器件包含三个连续区域：混合区、过渡区和聚焦区。关键设计是通过改变底部厚度（t_bottom）来调制声学边界条件，防止在混合区发生意外的颗粒聚焦，并确保在聚焦区形成有效的半驻波。

实验结果表明，在无声场时，两种共流流体在混合区保持清晰边界，颗粒在聚焦区分散。激活声场后，混合区流体迅速均匀混合，同时聚焦区的颗粒被有效聚焦至通道中心形成窄流。进一步的折叠通道架构器件演示了将混合和聚焦功能集成在紧凑三维空间内的可行性，其结构包含一个弯曲混合通道和一个位于其下的聚焦通道，两者通过结构气隙声学隔离。使用该集成器件进行的模型亲和测定（链霉亲和素磁珠与生物素化HRP）显示，在声激活条件下，捕获效率显著提高，这归因于混合区增强了碰撞频率以及聚焦区对复合物进行了浓缩。

4. 讨论与结论总结

讨论部分总结：

本研究通过精确的空间工程设计和几何结构调整，成功克服了低声阻抗聚合物材料在声流控应用中的挑战。通过调整器件几何结构，特别是通道上下聚合物层的厚度，实现了高效的声学混合和单节点颗粒聚焦。利用增材制造的快速原型制作能力和真正的三维架构设计自由，这种方法将声流控系统的设计空间扩展到传统玻璃和硅基微加工方法的限制之外。所展示的集成单压电器件例证了如何将混合和聚焦这两种流体操作统一在一个紧凑、低成本、可扩展的格式中。这种能够精确空间设计器件和通道几何结构的能力，展示了3D打印在创建复杂、精密声流控器件架构方面的多功能性。通过整合混合和聚焦功能，该原型集成器件说明了如何通过合理的通道几何设计和压电驱动，实现紧凑、多功能、高性能的微流控系统。这是传统玻璃毛细管或微加工声流控平台无法实现的独特能力。

结论翻译：

这些研究引入了一类新型的树脂基3D打印声流控器件，它们利用增材制造的设计自由度，实现了完全集成和多功能的声学平台。实验结果表明，通过对器件几何结构（尤其是流体通道上下聚合物层的厚度）的精细调谐，克服了低声阻抗材料带来的固有挑战。在此基础上，研究人员在完全3D打印的结构中，实现了稳健的声流控功能，包括微混合和单节点颗粒聚焦，这得益于半波长共振模式。通过利用快速原型制作能力和真正的三维器件架构潜力，该方法将声流控系统的设计空间扩展到传统玻璃和硅基微加工方法的限制之外。本文报道的集成单压电器件例证了如何将混合和聚焦这两种汇聚的流体操作统一在一个紧凑、低成本、可扩展的格式中，从而为下一代芯片实验室技术制定了蓝图。预计这项工作中概述的基本见解和多功能设计策略将推动声泳系统的进一步发展，用于即时诊断等应用，而3D打印将成为生产高性能、可定制和广泛可及的声流控器件的关键推动者。