利用圖像引導(dǎo)的原位無(wú)掩模光刻實(shí)現(xiàn)微流控器件的快速成型

近年來(lái)，微流控技術(shù)已經(jīng)成為在分析、生物醫(yī)學(xué)和臨床應(yīng)用中開(kāi)發(fā)微全分析系統(tǒng)（μTAS）和護(hù)理點(diǎn)（POC）醫(yī)療器件的基石?；跀?shù)字微鏡器件（DMD）的無(wú)掩模光刻技術(shù)憑借其自定義圖案生成能力、快速的制造速度和相對(duì)較低的初始成本，在低成本、高分辨率微流控器件的制造中顯示出良好的前景。由于通常需要在光刻膠薄層中實(shí)現(xiàn)，這種制造方法一般需要利用刻蝕或深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）工藝來(lái)進(jìn)一步加工襯底，然后才能制造出厚度為納米到亞毫米尺度的微流控器件。因此，原位無(wú)掩模光刻技術(shù)在微流控器件的一步快速成型中發(fā)揮著重要的作用。

原位無(wú)掩模光刻工藝中的聚合反應(yīng)取決于預(yù)聚物溶液中使用的材料、局部光化學(xué)環(huán)境和紫外線（UV）強(qiáng)度分布。無(wú)論是在陽(yáng)離子聚合反應(yīng)還是自由基聚合反應(yīng)中，反應(yīng)物質(zhì)都會(huì)從激發(fā)區(qū)向外呈放射狀擴(kuò)散。此外，基于數(shù)字微鏡器件的照明通常存在光不均勻性。當(dāng)附近有曝光區(qū)存在時(shí)，自由基擴(kuò)散和光不均勻性的共同作用會(huì)造成特征結(jié)構(gòu)展寬、過(guò)度固化和特征結(jié)構(gòu)之間的分散性連接。因此，減少特征結(jié)構(gòu)之間的距離被證明比減少特征尺寸更具挑戰(zhàn)性。當(dāng)制造載細(xì)胞結(jié)構(gòu)時(shí)，由于細(xì)胞的光散射增加，這個(gè)問(wèn)題會(huì)變得更加突出，從而導(dǎo)致打印時(shí)缺乏分辨率和精度。這一現(xiàn)象通常被稱為“鄰近效應(yīng)”，該效應(yīng)可以歸因于聚合物鏈生長(zhǎng)、光的不均勻性、光的散射、熱或分子擴(kuò)散，以及在隨后的曝光工藝中曝光劑量的增加。

解決鄰近效應(yīng)并制造高保真特征結(jié)構(gòu)的最常見(jiàn)方法包括通過(guò)線性光柵、振蕩、曝光劑量調(diào)制來(lái)操縱入射光，或者通過(guò)與光抑制劑混合來(lái)操縱預(yù)聚合物溶液本身。然而，線性光柵的有效性僅限于薄光刻膠層，而操縱預(yù)聚物溶液的方法主要能夠提高3D打印中的垂直而不是水平空間分辨率。近年來(lái)，為了解決這一問(wèn)題，眾多研究人員做出了巨大的努力。負(fù)投影光刻技術(shù)（NPL）是一種提高基于聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）的無(wú)掩模光刻技術(shù)空間分辨率的方法。該方法可以在20 μm ~ 50μm厚的微流控器件中制造邊長(zhǎng)為25 μm、相互距離為100 μm的正方形結(jié)構(gòu)。然而，負(fù)投影光刻技術(shù)是一個(gè)多步驟的聚合工藝，需要復(fù)雜的材料合成。閃光光聚合被提出用于控制光引發(fā)劑自由基擴(kuò)散和減少鄰近效應(yīng)。但減少曝光時(shí)間和增加曝光強(qiáng)度會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)均勻性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，需要在無(wú)掩模光刻過(guò)程中更好地控制曝光和圖案生長(zhǎng)。由于攝像頭和人工智能（AI）集成技術(shù)的進(jìn)步，基于圖像分析的控制在生產(chǎn)中越來(lái)越受歡迎。目前，圖像輔助的閉環(huán)控制已經(jīng)被用于基于激光的增材制造方法及其質(zhì)量控制。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了克服上述挑戰(zhàn)，近期，來(lái)自美國(guó)理海大學(xué)（Lehigh University）的研究人員提出了一種基于原位圖像分析和間歇流量控制的確定性制造工藝方法，名為圖像引導(dǎo)原位無(wú)掩模光刻（IGIs-ML）方法。通過(guò)使用動(dòng)態(tài)圖像分析和集成流量控制，圖像引導(dǎo)原位無(wú)掩模光刻法實(shí)現(xiàn)了大面積和多器件制造的密集特征的優(yōu)異的可重復(fù)性和保真度。這種通用而強(qiáng)大的方法可以用于制造各種微流控器件，并解決快速原型制造中關(guān)鍵的鄰近效應(yīng)和尺寸限制問(wèn)題。圖像引導(dǎo)原位無(wú)掩模光刻法的經(jīng)濟(jì)性和可靠性使其成為探索超越傳統(tǒng)快速原型制造方法的強(qiáng)大工具。相關(guān)研究成果以“Rapid prototyping of high-resolution large format microfluidic devicethrough maskless image guided in-situ photopolymerization”為題發(fā)表在NatureCommunications期刊上。

圖1 基于原位圖像引導(dǎo)的微流控原型器件制造示意圖

具體而言，研究人員提出了一種一步原位原型制作的系統(tǒng)性方法來(lái)制造各種微流控器件，并首次將基于圖像的反饋系統(tǒng)用于投影圖案的精確控制、紫外線的高速觸發(fā)和無(wú)掩模光刻的流量控制。該方法可以實(shí)現(xiàn)靈活的工藝控制，并且不受材料、紫外線功率、光均勻性和器件厚度或器件類型的影響。

圖2 無(wú)掩模光刻的原位跟蹤和動(dòng)態(tài)投影

圖3 模擬自由基擴(kuò)散和光不均勻性對(duì)器件制造的影響

圖4 光固化過(guò)程中的動(dòng)態(tài)形狀校正

通過(guò)制造大型確定性側(cè)向位移（DLD）器件，該方法展示了優(yōu)越的空間圖案保真度和可重復(fù)性。此外，研究人員通過(guò)成功地對(duì)各種光敏材料（包括PEGDA 700、PEGDA 250、商業(yè)樹(shù)脂和明膠甲基丙烯酰（GelMA））進(jìn)行圖案化，證明了該方法的通用性。

圖5 所提出的大規(guī)模制造方法的可重復(fù)性

最后，該研究通過(guò)直接從CAD文件中以最少的工藝步驟制造出兩個(gè)脈管網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，以及生成具有可調(diào)參數(shù)的均勻凹微柱用于細(xì)胞球體培養(yǎng)，進(jìn)一步證明了該方法的可行性。

圖6 自動(dòng)化原位微脈管和載細(xì)胞水凝膠制造

總體而言，該研究建立了一個(gè)對(duì)材料、實(shí)驗(yàn)裝置和技術(shù)人員依賴度最小的系統(tǒng)性方法，其可以制造出與目前的快速成型平臺(tái)相比具有更高空間分辨率的各種微流控器件。

審核編輯：劉清