高分辨率的双固化硫醇烯环氧体系3D打印用于制造生物测定微流控装置

　　高分辨率3D打印对聚合物材料在微观尺度上进行定制加工，为光学、微流体学、组织工程和生命科学领域的先进应用提供了便利。然而，封闭微米级结构（如闭合微流体通道）的3D打印仍然是一个挑战，因为通道结构经常被残留的固化树脂堵塞。基于非化学计量比的硫醇-烯烃和硫醇-烯烃/环氧化学反应的双重固化系统在铸造或注射成型微流体器件的无胶粘结方面已经广为人知。

　　来自德国弗赖堡大学的DorotheaHelmer团队开发首个用于定制微流体器件制造的微尺度双重固化硫醇-烯烃/环氧化学反应的高分辨率立体光刻3D打印方案。在第一固化步骤中，通过高分辨率3D打印制作开放式微流体结构。然后，通过热引发无胶粘结将微通道密封，制造出尺寸可达80微米的良好控制的结构。在粘结之前，中间材料允许进行定制的表面修饰，如生物素修饰，从而实现各种生物分子的连续固定。演示了密封芯片中具有特定图案的DNA生物测定。本研究为制造大范围特定生物测定的定制微流体器件铺平了道路。相关工作以题为“High-Resolution3DPrintingofDual-CuringThiol-Ene/EpoxySystemforFabricationofMicrofluidicDevicesforBioassays”的文章发表在2024年04月11日的国际著名期刊《AdvancedFunctionalMaterials》。

       1.创新型研究内容

　　本研究开发了一种新型双重固化材料的高分辨率3D打印方案，用于制造通道尺寸为80微米的微流体器件的两步法制造。由于所开发材料的双重固化特性，可以通过光聚合高精度地打印开放式微通道，然后通过第二固化步骤中间材料的热干粘结来密封。除了制造通道宽度为80微米的特斯拉混合器等小特征和无需任何胶水或粘合剂的便捷粘结过程外，双重固化材料还允许在两个固化步骤之间对表面进行生物功能化。本研究证明了开放通道表面的生物图案化和单链DNA的结合可用于特异性检测互补的DNA链。这种开发的双重固化材料系统结合了高分辨率结构化和便捷的干粘结过程以及个体生物功能化的能力，为制造大范围特定生物测定的定制微流体器件铺平了道路。

　　【双重固化系统的开发】

　　为了将微流体结构的高分辨率3D打印与无胶粘结和单一材料粘结过程相结合，需要一种具有两个独立且可控的聚合步骤的材料系统。由于硫醇-烯烃树脂以高分辨率的3D打印而闻名，而基于OSTE+系统的无胶粘结方法在微流体器件的模具制造技术中很受欢迎，因此开发了一种新型的基于硫醇-烯烃/环氧的双重固化系统用于高分辨率3D打印。使用四官能性的对甲苯二巯基丙酸酯乙酯（PETMP）与双官能的双酚A乙氧基丙烯酸酯（BPA-EDA）和甘油二缩水甘油醚（GDE）的组合，设计了一种可以通过两个不同聚合反应的两个步骤进行聚合的单体混合物（图1a）。虽然双丙烯酸酯通过自由基聚合与硫醇发生反应，但GDE和PETMP通过碱催化的迈克尔加成反应进行聚合。为控制固化步骤并依次启动两个聚合反应，相应地选择了两个引发剂。双酚A乙氧基丙烯酸酯和PETMP的自由基聚合由自由基光引发剂Irgacure819启动，而GDE和PETMP的迈克尔加成反应由热引发剂1,1-二甲基-3-苯基脲（PDU-250）启动。这种基于不同激活刺激的两个引发剂的组合允许材料在两个顺序步骤中固化。在第一步中，通过PETMP与BPA-EDA的紫外光引发聚合固化中间材料。在第二个聚合步骤中，通过PETMP与GDE的热引发迈克尔加成反应固化最终材料（图1b）。由于需要在第一和第二固化步骤之间取得良好的平衡，以提供紫外光引发聚合的高反应性和热固化步骤中的强粘结性，根据树脂组成表选择了4:2:2（硫醇：丙烯酸酯：环氧）的功能团比例。为分析两个顺序固化步骤，通过FTIR分析了每个单独的聚合反应。在图1c中，通过S─H伸缩带在2570cm−1处的变化检测了硫醇基团的转化。可以看到，从树脂到中间体再到最终材料，这个带的大小逐渐减小，表明硫醇基团在两个固化步骤中发生转化。这可以通过图1d中GDE的C─O─C伸缩带（910cm−1）和BPA-EDA的C═C振动带（810cm−1）的分析进一步确认。

　　图1双重固化系统的成分和固化过程的表征

　　【双固化材料的高分辨率3D打印】

　　除了之前讨论过的PETMP与BPA-EDA的紫外光引发聚合的高反应性外，制备的双重固化树脂还具有高透明度的光学性能。纯单体混合物不在可见光范围（400nm以上）吸收任何光线。这种高反应性和透明光学性能的组合使得开发的双重固化树脂成为一种有前景的高分辨率3D打印材料系统。为获得适用于3D打印的材料，向PETMP、BPA-EDA和GDE中添加了以下添加剂：光引发剂苯基双(2,4,6-三甲基苯基)膦氧化物（Irgacure819）、抑制剂4-甲氧基苯酚（MEHQ）和吸收剂2-硝基二苯硫（2-NPS）。使用具有5µm激光束的高精度SLA打印机Dilase3D，对双重固化系统进行了高分辨率3D打印能力的测试。为确定3D打印过程的分辨率限制，选择了一个尺寸为2mm的详细立方体格子结构，因为它包含了3D打印的所有困难，如细线、空心结构和悬挑。如图2a所示，尺寸为2mm、线宽为50µm的双重固化材料的3D打印立方体格子成功打印出来。这个具有50µm尺寸详细特征的3D打印结构表明，开发的双重固化材料可以使用商用SLA打印机进行高分辨率加工。为测试3D打印过程对微流体器件制造的分辨率，通过2小时内打印了通道尺寸最小为80µm的开放式微流体芯片。如图2b所示，具有特斯拉混合器通道结构的开放式微流体器件以高分辨率打印出来。图2c、2d中的光学显微镜图片显示了通道宽度为80µm的通道结构的清晰3D打印效果。因此，本研究开发的双重固化材料已被证明适用于高分辨率打印具有详细3D特征和个体微流体结构。这为通过将双重固化材料的高分辨率3D打印与无胶粘结能力相结合，定制制造微流体器件铺平了道路。