分类：电子论文 时间：2021-10-14 热度：127
摘要为研究3D打印微流控电泳芯片的微通道电渗性能，利用两种制作工艺：以光敏树脂为原料的SLA型3D打印机制作了长度、截面积均相同，形状不同的4种微通道，包括正三角形、正方形、3/4正二十边形和3/4圆形;以多聚合物线材为原料的FDM型3D打印机制作了正方形的微通道。通过电流监测法，探究缓冲溶液的pH值、微通道形状、打印机类型及其制作方式对微流控电泳芯片电渗流性能的影响。结果表明，对于SLA型电泳芯片，其表面带正电荷，微通道电渗淌度与缓冲溶液的pH值呈负相关;4种不同形状微通道的电泳芯片中，正方形通道电渗淌度值最大;对于FDM型电泳芯片，其表面带负电荷，微通道电渗淌度随缓冲溶液的pH值增大而升高，并且曲线线性更佳，电渗淌度值更低。SLA型3D打印具有制作多样化微通道的性能，但制作过程残留在微通道的树脂难以清除，导致微通道的制作稳定性受到影响;FDM型3D打印制作微通道稳定性较好，但微通道构型多样化方面受限。对基于3D打印技术的微流控电泳芯片微通道制作方法进行改进，并对微通道电渗性能进行探究，可为微流控电泳芯片制作及用于电泳分析提供理论实验基础。
关键词微流控电泳芯片;3D打印;微通道;电渗流
微流控电泳芯片是一种通过高压电场在微米尺度范围内对流体进行操控，进而将样品预处理、进样、分离、检测等过程集成于一块平方厘米的微芯片分析平台[1-3]。样品分离是电泳芯片的核心，主要发生在微通道内，分离过程越困难，对微通道要求越高[4]。与传统的毛细管电泳技术相比，电泳芯片可显著降低样品和试剂消耗、简化操作过程、加快分离检测，是电泳分析的热点关注领域[5]。
电泳过程中，电渗流(Electroosmoticflow，EOF)相关参数是评价电泳芯片的重要指标，受多个因素影响，如电压大小[6]、缓冲液离子强度及pH值[7]、微通道的尺寸和形状[8]等。然而，在微通道形状对电渗流性能影响方面，由于传统毛细管和微流控电泳芯片加工工艺的局限性，制备的电泳微通道形状主要是圆形或不规则多边形，难以对不同微通道形状进行可控制作，致使芯片微通道形状对电渗流性能影响研究仅停留在理论层面，不能得到实践系统的有效评估[9-11]。
3D打印技术又称为增材制造，是一种可将电脑中的虚拟三维图像转化为物理实体的突破性制造工艺，其“设计-制造-检测”周期短，可控性强，自动化程度高，近年来已被广泛应用于微流控电泳芯片领域[12-14]。Woolley等[15]基于3D打印技术制作了一种微流控电泳芯片，其微通道横截面的最小特征尺寸可达50μm，并可用于早产儿生物标志物的快速分离检测。Bowser等[16]采用3D打印制作了自由流电泳芯片，其最小通道尺寸可达30μm×130μm，并用于分离检测罗丹明110溶液，检出限可达2nmol/L。Walczak等[17]利用喷墨型3D打印机制作了集成荧光检测器的凝胶电泳芯片，分离了50-800bpDNA片段。但是，大部分研究者主要在芯片微通道整体空间分布和芯片构型上进行创新，而对不同芯片微通道形状影响电泳芯片电渗性能的研究较少[18-19]。
本研究利用3D打印机技术的灵活性，设计制作了具有不同截面构型的微通道电泳芯片，包括正三角形、正方形、3/4正二十边形和3/4圆形，结合快速简便的微通道电流监测法，考察缓冲液、微通道形状、打印机类型和制作方式等因素对此芯片电渗性能的影响，分析探讨机理，可为3D打印技术制作微流控电泳芯片及其应用提供科学实验基础。
1实验部分
1.1仪器与试剂
Form2光固化3D打印机(美国Formlabs公司)，A8S3D打印机(深圳市极光尔沃科技股份有限公司)，XH-C旋涡混合器(金坛市白塔新宝仪器厂)，KQ218超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)，SMART-2芯片电泳程控高压电源(南京恒越光电科技有限公司)，SHB-IIIS循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司)，pHS-3EpH计(上海仪电科学股份有限公司)。
异丙醇(天津市恒兴化学试剂制造有限公司)，无水乙醇、Na2HPO4、NaH2PO4和氯仿均购于国药集团化学试剂有限公司，1.75mm白色聚乳酸线材PLA(深圳市极光尔沃科技股份有限公司)，1.75mm橡胶线材Rubber(TIME80S科技有限公司)，光敏树脂clearresin(美国Formlabs公司)。
1.2实验方法
1.2.1微流控电泳芯片的设计与制作
利用两种桌面级3D打印机制作微流控电泳芯片，一种是以立体光固化(Stereolithographyappearance，SLA)工艺制作具有特征形状的微米级电泳通道，包括正三角形、正方形、3/4正二十边形(以3/4对称轴点作垂线分割后的图形)、3/4圆形(以3/4直径点作垂线分割后的图形)，然后通过热压法成型;另一种是以熔融沉积成型(Fuseddepositionmodeling，FDM)工艺用相同的数字文件一次成型打印具有正方形通道的电泳芯片。两种打印方式的前期工作相同：通过123Ddesign软件进行三维建模，文件以.stl的格式进行输出，随后在各自的切片软件上设置打印参数，最后上传至打印机进行生产制造。为方便区分，将基于SLA工艺打印成型的芯片称为热压芯片，基于FDM工艺打印成型的芯片称为一次成型芯片，比较两种电泳芯片的优缺点。
热压芯片具体制造过程：分别设计(1)带表面图案的微通道板，尺寸为70mm×20mm×2mm，两个储液池直径d=5mm，高度h=2mm，微通道长度57mm，横截面积S=0.1mm2，每块板设计两个相同的电泳通道;(2)底板，尺寸与微通道板相同，但表面光滑无图案。切片软件Preform的参数设置为：材料选择clearV4(FLGPC04)，层高0.025mm，X、Y、Z轴倾斜45度，保证支撑不在两板的表面生成。打印完成后，模型先在异丙醇中振摇洗涤20~30min，后放入无水乙醇里浸泡5min以除去未固化树脂。裁去模型上多余的支撑，室温3~5min晾干，以热风枪低档、温度210℃，均匀加热底板3min，紧接着迅速把底板和微通道板无缝盖合，装入特制的PET套中，移至虎台钳钳口，用强大的压力将两板无缝贴合在一起。随后，将热压贴合的电泳芯片于405nm紫外灯下照射60min。最后，在储液池上方黏贴3D打印的加高装置，使储液池的整体高度达到7mm，大大扩充容量，完成电泳芯片的制作(图1)。
一次成型芯片具体制造过程：构建上述具有正方形通道的电泳芯片。切片软件JGcreate的参数设置为：层高0.1mm，打印密度100%，喷头温度210℃，平台温度50℃，打印速度30mm/s，喷头移动速度70mm/s。将文件输出为.gcode格式并上传至极光尔沃A8S打印机，选择白色PLA为耗材，进料打印。完成后，模型放入超纯水中超声清洗2次，每次15min，以冷风吹干。在吹干的微通道内缓慢持续注入40%氯仿，并保持浸泡状态1min。采用真空泵抽干氯仿，再置于超纯水浸泡15min，吹干备用。
1.2.2芯片电渗性能监测平台的搭建
将电泳芯片和正、负电极通过3D打印的集成装置组装在一起。如图1所示，此集成装置可看作由3个长方体构成的倒“凹”字型结构，顶部有4个直径为5mm的圆洞用于放置电极。此装置不但能使整个电渗流监测过程更加便捷，而且能固定正、负电极浸入储液池的相对距离，大大提高实验的稳定性。实验操作过程中，整个装置置于冷却装置之上，可降低电泳过程产生的焦耳热。正、负电极连接芯片电泳程控高压电源，高压电源与计算机联通，实现精确控制。
1.2.3芯片电渗性能的检测
以电流监测法对3D打印芯片微通道的电渗性能进行考察。向清洗好的芯片微通道内通入较高浓度(3.0mmol/L)的磷酸缓冲溶液(phosphatebuffersolution，PB)，调节外部电压，便可在计算机上实时记录微通道电流的变化。待电流曲线平稳后(图2A)，采用注射器将芯片一端储液池中溶液替换成相同体积、低浓度(1.8mmol/L)的PB，液体被电压驱动流向另一端电极，可观察到电流值逐渐降低，直至充满整个通道，电流将再次稳定(图2B)。电流达到再次稳定的时间便是低浓度PB经过微通道的时间。利用公式便可计算微通道的电渗淌度，进而评估芯片的电泳性能。
2结果与讨论
2.1微通道的形貌和成分表征
为了验证SLA型打印机制作的热压芯片微通道是否具备特征形状，采用扫描电子显微镜(Scanningelectronmicroscope，SEM)对此微通道截面进行观察。如图3所示，4个微通道截面的的形状和尺寸都基本符合预期构想，截面积几乎均是0.1mm2。若忽略3D打印机本身的机械误差，可认为4种微通道已较为理想地从理论数字模型转换成实物。其中，3/4正二十边形和3/4圆形的轮廓尺寸近乎相同，因为二者仅在边缘存在细微差别，在百微米尺度下，并不能清晰显示。因此，可认定此生产工艺能成功实现不同形状微通道的制作。
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另外，为更深入探究微通道电渗流的性质，采用X-射线电子能谱(X-rayphotoelectronspectroscopy，XPS)对固化后热压芯片的通道表面进行表征。据文献报道，光固化反应体系的组成成分一般为一种或多种单体材料、预聚物和光引发剂(包含共引发剂)，其中单体材料和预聚物是主体，基本含量需达到90%以上，而光引发剂含量虽少，却起着诱导聚合和催化的关键作用[21-22]。由图4A和4B可知，固化后的光敏树脂主要由3种元素C、N、O组成，其中C、O元素含量较丰富，而N元素相对较少。在C1S图中，结合能284.80eV为C=C峰，285.62eV为C-N峰，286.68eV为C-O峰，289.19eV为O-C=O峰，符合烯酸酯和酰胺结构的化学键特征。在N1S图中，N元素只有一种价态，峰位在400.01eV，为氨基结构。综合生产厂家提供的材料信息，推断此树脂(FLGPCL04)耗材的主要成分为甲基丙烯酸酯单体及少量甲基丙烯酰胺单体，加入光引发剂后，发生聚合反应，固化成含有氨基结构的一种或多种聚合物。
2.2缓冲溶液的pH值值的影响
根据双电层理论，芯片微通道内的缓冲溶液在两端电极的加压下犹如一个电导体，内部有效电荷的变化将会改变吸附层和扩散层的电荷分布，进而对电渗流产生影响[23]。因此，当通道内缓冲溶液的pH值变化时，有效电荷量也将随之变化，进而影响电渗流大小。在热压芯片3/4正二十边形微通道内，对此影响因素进行探究，于固定1010V电压下，设置不同pH值的缓冲液体系，并计算相应电渗淌度。如图5所示，电渗淌度值随着缓冲液pH值升高而降低，说明微通道表面可与H+结合，使管壁带正电荷，所以缓冲液体系H+的减少可引起管壁带电基团密度降低，ζ电势减小，最后导致电渗淌度值随之减小，再结合热压芯片材料的XPS图谱(图4)，推断固化树脂在酸性缓冲液中，表面携带的氨基与溶液中的氢离子结合形成正价化合物，使微通道表面带正电荷，电渗流方向由阴极流向阳极。
2.3微通道形状的影响
微通道形状对电渗现象具有较大影响，利用Rite法可证明微通道端点圆角和直角的细微变化会对电渗流产生较大的影响[24]。得益于3D打印的灵活性，探究了微通道形状对电渗淌度的影响。图6为通道横截面积、长度和场强均相同，但截面形状不同的条件下，电渗淌度随缓冲液pH值的变化图。与2.2节的结果相似，电渗淌度随着pH值的升高而降低，正三角形和正方形的微通道在缓冲液pH5.0~7.0时，电渗淌度下降速度很快，而pH>7时，下降速度明显放缓并趋于平稳，说明此时微通道表面有效电荷已被大量抑制;而3/4圆形和3/4正二十边形的电渗淌度则是逐渐下降的过程。在酸性条件下，图6中电渗正方形微通道和正三角形微通道远大于3/4圆形微通道和3/4正二十边形微通道。3/4圆形微通道和3/4正二十边形微通道的电渗淌度变化曲线大致相当，从侧面证明3/4正二十边形通道和3/4圆形通道横截面特征的相似性(图3)。综上，正三角形通道和正方形通道电渗淌度曲线均有明显变化趋势，二者在pH=5.0时电渗淌度最大，而正方形通道的电渗淌度值更大，更适合作为一般电泳分析的分离通道。
2.4打印机类型和制作方式的影响
SLA和FDM两种桌面级3D打印机有诸多差异之处，前者所用耗材为液态树脂，模型的微尺度特征结构精细，密闭性好，可透光，但耗材的选择范围窄，通道内未固化的树脂粘度很大，清理困难[25];后者所用耗材满足热塑性能即可，机器易于开源改造，但受限于丝状固体层层堆叠的机理，微尺度的特征结构不够明显，层与层之间难免存在缝隙，易导致流体泄漏[26]。两种打印机的制作方式不同，造成成型的微通道于密闭性、亲水性、粗糙度、带电电荷等方面存在差异。考虑到所使用的桌面级FDM打印机仅可在同尺度下打印正方形通道，故本研究以正方形截面形状微通道电泳芯片为研究对象，对热压芯片和一次成型芯片的电渗性能差异进行对比分析。
由SEM图(图7A和7B)可知，一次成型芯片和热压芯片的微通道都未能完美呈现正方形的4个直角，但二者均能清晰再现正方形的整体轮廓。相比于FDM打印机的制作模式，SLA模式的形状和尺寸更接近于数字模型(边长=0.316mm)。由电渗性能考察结果可知，一次成型芯片的电渗淌度(图7Ca)随pH值增大而增加，与热压芯片(图7Cb)恰好相反，说明微通道表面分布着负电荷，电渗流由阳极流向阴极。产生此现象的原因是聚乳酸的化学结构含有羰基碳，易被碱性溶液中的羟基攻击，倾向形成带负电荷的中间产物。同时，一次成型芯片曲线的线性更佳，电渗淌度值更低，误差棒更小，原因是在制作过程中，人工操作较少，并且微通道经氯仿处理，表面粗糙度也大大改善，所以芯片间的差异较小，结果更稳定。但是，所使用的桌面级FDM型打印机的精密度较差，只能在上述微米尺度下制造正方形的电泳芯片，制造灵活性不及同样桌面级的SLA型打印机。——论文作者：刘辉1刘萌萌2杨元杰1雷云1刘爱林*1
文章名称：3D打印微流控电泳芯片的电渗流性能研究
