CADworks3D：微流体领域创新，使用3D打印母模制造PDMS设备

近年来，用于微流体应用的 PDMS 设备的制造取得了重大进展。新的研究正在从光刻等传统技术转向软光刻等更具成本效益的替代技术，探索3D打印的集成以及如何将其融入现有的设备制造工作流程是目前研究的重点。

加拿大 3D 打印机制造商和 3D 材料开发商CADworks3D是该领域的领导者。CADworks3D 将突破性的 3D 打印机技术与专用 3D 光聚合物材料相结合，为制造 PDMS 设备构建了完整且高效的 3D 打印解决方案。这包括ProFluidics 285D DLP 打印机和内部光聚合物树脂，即PDMS设备树脂主模具。


△CADworks3D 的ProFluidics 285D 3D 打印机和用于 PDMS 设备光聚合物树脂的母模

从光刻到软光刻的演变

微流体研究的早期阶段将光刻视为在微流体设备上创建微结构和图案的首选技术，涉及使用光掩模、洁净室设施和复杂的化学工艺，在硅晶片或载玻片等基材上创建精确的图案。

虽然光刻提供了高分辨率图案，但确实有明显的局限性。创建单个设备需要许多步骤以及多种不同的工具和化学品，其中包括专用设备和洁净室设施，这使得该技术昂贵并且小规模应用并不适用。此外，光刻法对于生产复杂的设计或三维结构并不理想，它是一种单层工艺，创建多层结构或 3D 微流体系统需要多轮光刻、对准和键合工艺，这些过程非常耗时且容易出现对准错误。

光刻法主要适用于处理硅和玻璃等半导体材料，对于与工艺中使用的刺激性化学品和高温不相容的材料来说并不理想。市场上针对更易使用和通用的微流体设备的需求不断增长，软光刻已成为行业游戏规则的改变者。

用于创建 PDMS 器件的软光刻

软光刻技术是作为光刻技术的替代方案而开发的，解决了前身的许多限制，特别是在成本、易操作性和材料兼容性方面。它是指在微流体装置制造中使用弹性体材料的一组技术，其中聚二甲基硅氧烷（PDMS）是最普遍的。有了它，研究人员现在可以更快、更高效地原型设计和制造微流体装置。

软光刻从创建主模具开始，通常使用光刻技术。该母模包含所需微流体特征（例如通道和腔室）的负模。然后将 PDMS 混合，倒入主模具上，并固化以创建主模具的复制品。该复制品从主模具上剥离，并通过氧等离子体处理或化学键合到基底上，创建密封的微流体装置。最大的优势是能够在短时间内用一个母模生产多个微流控PDMS器件。

利用 3D 打印母模加速软光刻工艺

将 3D 打印集成到软光刻工作流程中代表着微流体器件制造的下一步发展。

光刻是最常见的母模制造技术。然而，正如所讨论的，光刻过程昂贵、耗时，并且在及时构建复杂设计和三维特征方面还有很多不足之处。3D 打印通过提供一种新的、高效的方法来创建主模具来解决这些挑战。

3D 打印可以快速制作微流体装置设计的原型。它使研究人员能够在一个工作日内通过 3D 打印新的主模具来快速迭代和修改他们的设计，从而减少与传统模具制造相关的时间和成本。微流体设备变得高度可定制，研究人员可以轻松创建定制的微结构并根据需要对其进行调整以满足特定的应用要求。


△使用 3D 打印主模具的 PDMS 设备制造工作流程

适用于 PDMS 设备的 CADworks3D 解决方案

CADwork3D 开发了一种专为 PDMS 设备制造而定制的 3D 打印解决方案。研究人员能够在短短几个小时内 3D 打印、清洁和固化主模具，并且在一个工作日内就可以铸造 PDMS 设备并准备好粘合到基材上。

ProFluidics 285D是 CADworks3D 的旗舰 DLP 3D 打印机。虽然市场上大多数 3D 打印机都是从其他行业改造而来，但 ProFluidics 285D 是专为微流体应用而设计的。它采用独特的技术，称为动态像素优势。这使得用户能够打印具有卓越 3D 打印功能的微流体设备，并且 3D 打印设备与原始 CAD 文件中显示的预期设计非常相似。与其他 3D 打印平台相比，ProFluidics 285D 具有更平滑的表面光洁度和正确解析的曲线，可产生复杂的三维微观特征，例如蛇形通道、微孔和圆顶。



△在 ProFluidics 285D 上 3D 打印的一组 CADworks3D 主模具

当与 CADworks3D 的PDMS 设备树脂母模结合使用时，用户能够构建具有 50μm 开放通道和 0.18μm 表面粗糙度的母模。这种光聚合物的配方可减少制造微流体 PDMS 设备所需的步骤。成功的PDMS铸造不需要脱模剂、涂层或其他预处理工艺。3D打印母模能够承受正确固化 PDMS 所需的温度。根据多伦多大学Kelley 实验室提供的统计数据，如果保养得当，一个3D打印母模可用于制造超过 500 个 PDMS 设备。此外，3D打印母模不会吸收任何化学物质，从而使铸造的 PDMS 设备能够保留其生物相容性。


△CADworks3D 样品主模具的特写。在ProFluidics 285D上 3D 打印

通过将软光刻与 3D 打印相结合，研究人员可以获得快速原型制作能力以及创建高度定制的复杂三维微流体设备的能力。这种集成为跨不同科学学科和行业的创新应用打开了大门，更接近于更容易获得和定制的微流体解决方案，而成本仅为传统方法的一小部分。