研究人员在2PP 3D打印中实现高分辨率复杂微结构的精准制备

导读：在一系列的研究中，德国弗莱堡大学海王星实验室的科学家们不仅将2PP双光子聚合3D打印的潜力推向了现有的极限，而且在2021年展示了惊人的亚微米分辨率，成功打印出了复杂的铂3D微结构。这一系列的研究成果为微观尺度制造的前沿研究提供了新的思路。

△使用NanoOne 2PP 3D打印机的单微米嵌入式微流控芯片。Manuel Luitz及其同事成功打印了通道长度超过20厘米的液滴发生器和芯片，通道直径仅为30微米，通道间距为4微米

2023年11月10日，南极熊获悉，今年，该团队成功以前所未有的速度生产了类似的钨制结构，并且还成功制造了具有单微米分辨率的嵌入式微流控芯片。这一系列成果标志着在3D打印领域的又一个突破，为复杂微结构和高分辨率微流体芯片的定制生产提供了崭新的可能性。

△UpNano的NanoOne 3D打印机

首席科学家Manuel Luitz在使用奥地利公司UpNano的NanoOne 2PP 3D打印机时获得了成功。在成功地吸引Luitz加入UpNano后，该公司计划继续重新定义2PP 3D打印的可行性规则，可能包括改进技术、提高效率或拓展应用领域。

2PP 3D打印技术在高分辨率方面具有潜力，但在实际应用中存在两个主要限制，即打印速度较慢和可用的光聚合材料有限。然而，在德国弗莱堡大学工艺技术实验室（NeptunLab）工作期间，Manuel Luitz经过数年的研究，成功地显著减轻了这些限制，可能通过改进技术或开发新的材料，从而为2PP 3D打印技术的应用提供了更多可能性。

这项工作的成果已经发表在《Advanced Materials》、《Advanced Engineering Materials》和《Advanced Materials Technology》杂志上，连续三篇论文。

△论文“使用双光子光刻技术制造具有单微米分辨率的嵌入式微流体芯片”（传送门）

巧妙的芯片通道清洁

在这一最新进展中，Luitz及其团队利用NanoOne打印机成功定义了单微米嵌入式微流控芯片的开发方案。这款打印机能够实现高达15个数量级的高分辨率3D打印。借助该打印机的出色性能，该团队成功打印出一款芯片，该芯片可以通过与世界的接口连接到压力驱动泵。

Luitz解释说：“这是微流控芯片制造领域的一项突破，因为微流控芯片高分辨率3D打印的主要障碍之一是清洗嵌入通道中的未固化材料。 这使得生产通道长度长达20厘米的曲折芯片、液滴发生器芯片以及基于确定性横向位移的细胞分选芯片（柱直径为30μm，柱间距为4μm）成为可能。”

Luitz继续解释：“因此，使用NanoOne，我们能够在不到12小时的合理时间内，以厘米级尺寸和微米级分辨率打印出微流控芯片。”

△论文“用于钨和碳化钨微结构的有机-无机光树脂的高分辨率图案化”（传送门）

打印理想的钨

在此之前，Luitz将NanoOne打印机应用于一个与之前完全不同的领域，这将显著扩大可以使用2PP进行3D打印的材料范围。他成功地应用于高分辨率增材制造工艺，"驯服"了钨和碳化钨。这并非易事，因为这两种材料以其极高的硬度（莫氏硬度9.0）和耐热性（熔点>3,400°C）而著称，使得它们难以加工。然而，发射器尖端、探针、微型工具以及对由钨及其碳化物制成的高分辨率物体的超材料或催化等应用需求很高。

△论文“用于制造铂微结构的有机-无机光树脂的高分辨率图案”（传送门）

Luitz解释说：“使用NanoOne打印机，我们能够设计一种基于含有钨离子的有机-无机光树脂的制造工艺。然后，聚合物部件经过热脱脂和还原，从而实现钨部件的最终分辨率为2μm和碳化钨零件为7μm的分辨率。”

△通过2PP技术实现钨和碳化钨的微观结构

Luitz成功使用3D打印技术打印钨并非偶然。该团队此前曾用铂金取得过类似的成果。实际上，他们能够生产独立式纳米柱以及分辨率为300nm的复杂3D铂微结构。这种微小结构将在各种工程应用中使用，包括超材料和催化，其中铂的大表面积和物理化学性质非常理想。