利用DLP 3D打印与PDMS膜膨胀技术制备具有狭窄结构的圆形截面微通道用于微流控血管模型

摘要

本文介绍了一种利用数字光处理（DLP）3D打印和聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜膨胀技术制备圆形微通道的简单且低成本的 fabrication 方法。该方法可制备出表面光滑、尺寸可控且具有仿生特性的微通道，适用于血管芯片或器官芯片应用。

摘要

模拟生物血管复杂结构的微流控模型需要具有圆形横截面的通道，以准确模拟天然血管系统中的血流动力学条件、剪切应力以及细胞行为。传统的软光刻技术通常生成矩形通道，导致非生理性的流动模式，难以真实再现人体循环系统。本文介绍一种易于实现的混合制造方法，将数字光处理（DLP）3D打印的母模与聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜膨胀技术相结合，以制备高保真度的圆形微通道。本实验方案的主要目标是提供一种无需洁净室的策略，用于构建具有可调狭窄几何结构的仿生血管模型。

本方案包含四个关键步骤：（1）利用计算机辅助设计（CAD）制备主模具，其中包含10%的高度补偿以抵消材料收缩；（2）采用DLP 3D打印技术制备树脂模具并进行后处理；（3）将PDMS浇铸并经氧等离子体辅助键合至一层薄弹性膜上；（4）通过可控气压使弹性膜膨胀，随后进行第二次PDMS浇铸以密封圆形结构。我们证实，通过精确调节内部膨胀压力，可实现对微通道直径（范围为300 µm至1000 µm）的精准调控。通过结构表征对所制备微通道的性能进行了评估，包括横截面圆度分析、扫描电子显微镜（SEM）测定表面粗糙度，以及气压爆破测试以验证键合稳定性。研究结果表明，该方法可便捷、可重复地制备圆形微通道，为血管生理学、血栓建模及药物筛选等领域的后续研究提供了可靠的实验平台。

引言

模拟生物血管的微流控系统对于未来在体外研究血管生理学、疾病机制以及药物相互作用至关重要^1,2。在体内存在的多种结构中，圆形横截面几何形状对于准确复制天然血管中的血流动力学条件（如剪切应力和流动模式）尤为关键³。传统的制造方法，例如软光刻或使用导线或针头作为牺牲模板的成型技术，通常只能生成矩形通道或不完整的圆形几何结构，从而导致流动失真并降低生理相关性^4,5,6。此外，这些方法耗时较长，在多层组装过程中容易发生错位，并且在设计包含两个以上分支的复杂血管状微通道网络时，扩展性有限⁷。然而，增材制造技术的最新进展，尤其是数字光处理（DLP）3D打印，为复杂结构（包括圆形微通道）的快速、精确微通道模具制造开辟了新途径⁸。此外，DLP能够在无需洁净室设施的情况下，实现具有优异分辨率的定制化模具几何结构打印。

本研究提出了一种无需洁净室的新型微流控芯片制备策略，该方法结合了DLP 3D打印模具与聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜的气胀工艺。简而言之，该混合工艺包括以下步骤：（1）设计并制备半通道模具，用于生成半圆形PDMS层；（2）将该PDMS层与一层薄塑料膜键合，随后通过气压膨胀并进行第二层浇铸，从而形成完整的圆形微通道。该实验方法具有操作简便、成本低廉且无需对准的优点，相较于其他多层微流控组装技术更为高效。此外，通过调节气胀压力，可精确控制所获得微通道的圆形度。

除了这些优势之外，本方案还具有快速制备的特点（耗时少于4小时）。所获得的环形结构在不同通道长度下均表现出高度一致性，且适用于小直径通道（例如300 µm）。此外，本研究中的实验结果（即表面粗糙度测量、光学成像、接触角测量和耐压测试）已证实了其结构完整性和流体相容性，在构建复杂血管微通道网络方面展现出惊人的可重复性和适应性。最后，该方法特别适用于缺乏洁净室设施的实验室，在血管芯片、血栓形成建模以及药物筛选等应用中具有广阔的发展前景。

方案

1. 主模具的制备

1. 母模设计
   注意：微通道母模设计使用 Fusion 360 完成，可从官方网站下载该软件。
   1. 设计模具基底。
      1. 打开 Fusion 360，在 Oxy 平面上创建一个新草图。
      2. 绘制一个以原点为中心的角矩形轮廓（例如 30 mm × 30 mm），作为模具平台。
      3. 使用 Fillet 工具，以 3 mm 半径对所有角落进行倒圆处理。
      4. 使用 Offset 工具将基底轮廓向内偏移 3 mm，以创建壁轮廓。
      5. 使用 Extrude 工具将整个基底平台表面向上拉伸 2 mm 以形成基座，将壁平台向上拉伸 4 mm。
      6. 在 Modify 区域中使用 Chamfer 工具，并选择 Two Distance 选项，以创建斜面。
      7. 选择内壁边缘，并将第一和第二偏移距离分别设置为 0.5 mm 和 4 mm。
         注意：此步骤有助于后续 PDMS 芯片脱模过程。
   2. 设计圆形微通道。
      1. 构建两个分别距离 Oyz 平面 5 mm 和 15 mm 的偏移平面。
      2. 在 5 mm 偏移平面上，绘制一个直径为 1 mm 的圆，其中心距离 Oxy 平面偏移 2 mm。
         注意：圆的中心应与基座的上表面对齐。
      3. 将圆形轮廓向基座内侧拉伸 8 mm，以获得微通道规则段的第一半部分。
      4. 在 15 mm 偏移平面上，绘制一个直径为 0.5 mm（或所需狭窄段直径）的圆，其中心距离 Oxy 平面偏移 2 mm。
      5. 将圆形狭窄段轮廓向规则段方向拉伸 0.25 mm，以获得微通道狭窄段的一半。
      6. 在 Create 区域中使用 Loft 工具连接规则段与狭窄段，以获得完整的微通道狭窄-规则段的一半。
      7. 使用 Mirror 工具，以 15 mm 偏移平面为镜像平面，创建圆形微通道的另一半。
      8. 选中所获得的整个圆形微通道实体 > 右键单击 > 选择 Move/Copy 选项。
      9. 沿 Z 轴方向将微通道实体向上平移 0.05 mm（或狭窄段直径的 10%）。
         注意：此步骤为打印公差提供补偿高度，从而获得更理想的圆形微通道形状。
      10. 使用相同方法创建另外四个圆形微通道，使狭窄段直径从 0.4 mm 逐步减小至 0.1 mm。
      11. 在 Create 区域中使用 Pattern 工具复制四个额外的规则段和四个额外的圆形狭窄段轮廓。
      12. 在草图中调整各微通道的狭窄段直径轮廓，并对每个微通道应用 Loft 工具。
      13. 将微通道实体平移至 10% 补偿高度位置。
   3. 将微通道母模设计导出为 .STL 文件。
2. DLP 3D 打印
   1. 设置加工参数。
      1. 打开 Chitubox 软件，在工具栏中选择 Open，并选择以 .STL 文件格式保存的母模。
      2. 将模具默认水平放置在软件打印平台上。
         注意：检查 Z 距离 = 0，角度 = 0°。
         注意：可使用 Make a copy 选项一次性放置并打印多个模具。
      3. 在工具栏中打开 Print 选项，并将 Layer Thickness 设置为 25 µm。
      4. 选择 Slice 选项，等待切片过程完成并显示预计打印时间，然后选择 Print 继续。
   2. 母模后处理。
      注意：需使用酒精进行两步清洗，以去除所有树脂残留并获得缺陷更少的模具表面：（1）用乙醇清洗，（2）用异丙醇清洗。
      1. 从 3D 打印机基座上取下母模。
      2. 先用纸巾擦拭打印结构，然后在杯子中用 70% 乙醇清洗 10 分钟。
      3. 在清洗站用 99% 乙醇精细清洗 15 分钟。
      4. 在室温下干燥至少 10 分钟。
         注意：检查模具内表面是否有白色不规则斑点。如果微通道周围仍有白色残留物，请额外重复精细清洗步骤一至两次。
      5. 将模具暴露于强度为 20 mW/cm² 的紫外光下照射 5 分钟，以完成表面固化。
      6. 将模具在 65 °C 烤箱中干燥至少 12 小时，以蒸发任何化学残留物并稳定表面。

2. PDMS 铸造与模具组装

注意：基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的微通道制备包含三个主要阶段：（1）第一半圆微通道的PDMS浇铸，（2）膜膨胀，（3）第二半圆微通道的PDMS浇铸。

1. PDMS 制备
   1. 将PDMS基础剂与固化剂（例如SYLGARD 184）按10:1的质量比混合。
   2. 在真空室中脱气10分钟，或直至所有气泡完全去除。
2. 浇铸第一个半圆形PDMS芯片
   1. 将3D打印的模具置于培养皿内水平的表面上。
   2. 将脱气的PDMS混合物倒入模具中，直至完全浸没模具（半圆形通道上方厚度为4 mm）。
   3. 在 90 °C 下固化 PDMS 40 分钟⁹.
   4. 小心地将固化的PDMS层从模具上剥离，并根据需要修剪边缘。
      注意：PDMS 芯片现在包含凹面半圆形微通道。
3. 膜结合
   1. 将25 µm厚的塑料膜切割成5 mm × 25 mm的矩形，并去除膜的上层。
   2. 用透明胶带多次清洁PDMS芯片表面。
   3. 使用1 mm活检打孔器在微通道末端附近制作一个入口。
   4. 将PDMS芯片和膜朝前放置在覆盖有铝箔的平台上。轻轻将平台放入等离子清洗仪中。
   5. 打开真空泵，运行60秒，然后将氧气等离子体功率设为30 W，压力设为0.3 Torr，处理75秒。
   6. 关闭等离子体电源和真空泵。
      注意：小心拆下真空泵，防止因压力突然变化导致液体溢出。
   7. 立即将PDMS芯片上的微通道与膜的处理面进行对齐。
      注意：仔细放置两个组件，以确保正确对齐。
   8. 轻轻将PDMS芯片与膜压合在一起。
      注意：确保微通道在膜下方完全密封。可使用镊子或标记辅助手动对齐。等离子处理后不得超过60秒，否则键合效率可能下降
   9. 将键合好的器件置于90 °C的烘箱中加热20分钟，以稳定表面并增强键合强度。
4. 膜膨胀
   1. 建立压力记录系统。
      注意：压力记录系统由三个部分组成：（1）电动注射泵，（2）笔记本电脑，和（3）Arduino Mega 2560。注射器为50 mL鲁尔锁型。
      1. 下载可在以下位置获取的传感器读数代码 补充文件 1 并将其上传至 Arduino 开发板。
         注意：检查代码是否成功编译。
      2. 打开 Tera Term 软件以记录压力日志。从 设置 > 串行端口 > 速度 > 115200.
      3. 从 文件，选择 日志 开始记录随时间变化的压力。
      4. 选择 新建/覆盖 记录新的日志，并检查 时间戳 用方框记录带时间标记的压力日志。
      5. 选择 浏览 选择用于保存压力日志的文件夹。
      6. 握住 开/关 电动注射泵上的按钮以启动设备，并按下 << 开始设置压力水平。
      7. 将一根直径为1.1 mm的针连接到PDMS芯片的入口，并使用柔性硅胶管将出口连接至注射泵的出口。
      8. 将压力水平设为 30 mL/h 并按下 << 开始充气过程。
   2. 进行膜膨胀及PDMS浇铸第二半圆微通道。
      1. 启动加压，并通过微通道监测压力水平 Tera Term 日志
      2. 当内部压力达到所需水平时，停止充气过程。
         注意：建议充气压力范围为0.0–17.5 kPa，因为压力超过20 kPa可能导致膜破裂。
      3. 在膨胀的膜-聚二甲基硅氧烷（PDMS）结构上浇注一层2-3 mm厚的PDMS。
      4. 在90 °C下持续加热40分钟，以稳定膨胀结构。
      5. 选择 停止记录 在第二个PDMS层完全固化后，使用Tera Term停止记录压力水平。
      6. 保存压力日志文件，用于实验记录和后续分析。

3. 所获PDMS血管微流控芯片的表征

1. 表面粗糙度表征
   1. 对模具和通道表面进行数字3D显微成像
      1. 使用3D数字显微镜系统对制备的PDMS芯片及其相应的DLP 3D打印模具的表面形貌进行表征。
      2. 为每个样品识别并标记三个特定分析区域。
         注：微通道的狭窄段（A1）、常规通道段（A2）以及芯片的外部平坦表面（对照）。
      3. 将样品安装在显微镜载物台上，调节焦距以在每个位置捕获高分辨率的3D形貌图像。
      4. 使用内置软件获取表面轮廓数据，生成粗糙度图，并提取平均表面粗糙度（Sa）和峰谷高度变化（Sz）。
      5. 导出形貌数据和3D可视化图像，用于比较不同打印条件（如打印方向和层厚）下的结果。
         注：需特别关注狭窄区域内的倾斜壁面，该区域的表面特征可能显著影响下游流动行为和剪切应力分布。
   2. 进行扫描电子显微镜（SEM）分析。
      1. 使用扫描电镜分析基于PDMS的微通道的表面微观形貌及微结构保真度。
      2. 使用锋利刀片小心切取微通道区域，并用导电胶带将其固定在铝制样品台上。
      3. 进行金或铂溅射镀膜处理60秒，以减少电荷积累引起的伪影。
      4. 在多个放大倍数下（例如200×和400×）采集SEM图像，重点针对狭窄区域。
      5. 比较由垂直和水平打印模具制得芯片的层线可见性、壁面光滑度及轮廓过渡情况。
         注：水平打印样品中的阶梯状伪影和垂直打印模具中的定向脊状结构是评估制造质量和流动保真度的重要指标。
2. 半圆形与全圆形微通道的几何形貌表征
   1. 使用剃须刀片将PDMS芯片沿垂直于微通道轴线的方向整齐切割，制备横截面样品。
   2. 使用荧光显微镜拍摄微通道的横截面图像。
   3. 将图像导入ImageJ软件，使用线条工具手动测量H1、H2和Wo。
      注：H₁：模塑成型的半圆形通道高度（底部）；H₂：膜膨胀高度（顶部）；W_o：通道底部宽度。
   4. 计算几何比值（H₁ + H₂ ≈ Wo），以评估圆形度，并验证模具设计与膨胀行为的一致性。
      注：理想情况下，H₁与H₂相等，且其和应近似等于全圆形轮廓中的W_o。偏差表明膨胀不足或膜过度拉伸。
3. 进行气动粘接强度测试
   注：气动爆破测试包含五个组件：（1）电动注射泵，（2）压力传感器，（3）Arduino Mega 2560微控制器，（4）串行通信电缆，以及（5）笔记本电脑。
   1. 通过柔性硅胶管将压力传感器连接至PDMS微通道的入口。
   2. 上传串行数据读取脚本以初始化Arduino控制器。
   3. 启动Tera Term软件以实时监测压力。
   4. 启动注射泵（例如40 mL/h）逐步施加压力。
   5. 实时记录压力数据，持续至发生脱层、破裂或明显泄漏为止。
   6. 将结构失效前记录的最终压力值定义为爆破压力。该值代表膜与模塑PDMS芯片之间的粘接强度。
4. 测量接触角。
   1. 使用数字侧置相机、环形LED光源和用于图像采集的笔记本电脑搭建接触角测量装置。
   2. 将固化的PDMS芯片置于相机下方的水平玻璃平台上。
   3. 使用移液器在PDMS表面滴加2 µL去离子水液滴。
   4. 立即用相机捕获液滴轮廓图像，并导出用于分析。
   5. 在ImageJ软件中打开图像，在Analyze菜单中选择Drop Analysis - LB-ADSA插件。
   6. 调整曲线拟合以确定接触角。

结果

本研究介绍了一种无需洁净室的全圆形PDMS微通道制备方案，该方法利用DLP 3D打印模具和薄膜膨胀技术。具有不同狭窄直径的半圆形微通道模具设计如图1所示，而打印方向对模具分辨率的影响如图2所示。从模具打印到膨胀及第二层PDMS浇铸的完整制备流程如图3所示。

通过静态接触角测量评估了所制备芯片的表面润湿性，如图4所示，其中使用ImageJ中的LB-ADSA插件进行曲率拟合和角度提取。通过扫描电子显微镜（SEM）进行的表面形貌分析揭示了垂直打印与水平打印模具之间的显著差异，特别是在狭窄区域（图5）。定量粗糙度数据证实了这些观察结果，显示采用更薄层厚的垂直打印模具内部表面粗糙度显著降低，平均粗糙度（Sa）最低可达5.7 µm（图6）。...

讨论

在本研究中，我们开发了一种无需洁净室的圆形PDMS微通道制备方案，该方案结合了DLP 3D打印与薄膜膨胀技术。该方案中的关键步骤是在CAD模具设计中引入10%的高度补偿，以抵消PDMS在热固化过程中固有的各向同性收缩。此外，打印方向的选择至关重要，特别是采用垂直方向打印，可最大限度地减小 "阶梯式递增" 增材制造中常见的伪影。通过垂直打印，我们实现了显著更光滑的内表面（Sa ≈ 5.7 µm），这对于精确复制高保真血管模拟所需的半圆形轮廓至关重要。

该技术可根据实验需求进行多种修改和故障排除。例如，尽管垂直打印可优化表面平整度，但我们观察到水平打印会增加表面粗糙度，这一特性可被策略性地用于解决键合失败的问题。增加的粗糙度有助于在等离子辅助键合PDMS膜界面时增强机械互锁，从而提高结构稳定性并实现更高的爆破压力（最高可达390 kPa）。此外，对膜膨胀步骤的故障排除也至关重要；研究人员必须确保膨胀压力保持在15–17.5 kPa范围内。超过20 kPa通常会导致膜破裂或不可逆的塑性变形，而压力不足则会导致截面呈椭圆形而非圆形。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D打印机	Elegoo Saturn 3	N/A	基于DLP的模具打印
3D打印树脂	JAMG HE, Korea	N/A	用于通用DLP打印的树脂
Arduino微控制器	Arduino Mega 2560	N/A	用于爆破测试中的压力监测
数字3D显微镜	Keyence, USA	VHX-7100	表面粗糙度表征
数字相机系统	定制	N/A	用于接触角成像
电动注射泵	Fresenius SE & Co. KGaA, Germany	PILOT A2 CE2RS232	用于膜成型过程中的充气
荧光显微镜	Nikon Eclipse Ti, USA	N/A	微通道几何尺寸测量
Fusion 360软件	Autodesk, USA	https://www.autodesk.com/asean/products/fusion-360	设计软件
ImageJ软件	美国国立卫生研究院, USA	https://imagej.net/ij/	图像分析
PDMS基体与固化剂	Dowhitech, Korea	https://www.dow.com/en-us/pdp.sylgard-184-silicone-elastomer-kit.01064291z	用于芯片浇铸
聚二甲基硅氧烷	SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit	1330-20-7	用于芯片制备
压力传感器	NXP	MPX5700AP	测量爆破测试期间的内部压力
RAPID树脂	Elegoo, China	—	用于主模具制备
扫描电子显微镜（SEM）	Jeol, Japan	JSM T-100	表面形貌成像
硅胶膜（25 µm）	—	—	用于膜充气