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      1. 蘇大維格高精度微納3D打印技術

               在IC芯片、生物芯片工程、微納功能材料的研究和應用中,光刻技術扮演了不可或缺的角色。利用微納光刻技術與增材制造的原理,開發的微結構3D打印技術是一項前瞻性、戰略性技術。由于其工程應用性強,領域跨度大,對未來先進制造業,尤其是高端制造、功能器件的發展十分重要。然而,已有的3D打印技術在打印精度、幅面上仍難以滿足高精度器件的研究與應用需求。例如,針對生物應用領域,3D 打印技術仍未有效解決打印尺寸與打印精度不能兼顧的難題。

         

        1為打印用于組織工程領域實現載體支架打印。3D打印技術為生物科學研究和醫療診斷方法提供了新的可能性,然而3D打印技術在生物領域的應用也面臨不少局限性,主要表現在打印精度和打印幅面無法滿足應用要求。

         

               一方面,基于超快激光的雙光子效應的立體造型技術,可實現小到0.1 μm的3D結構打印,然而,由于其單束串行打印模式,工作效率極低,幅面?。〝蛋傥⒚祝?,達不到高精度生物芯片的研制的要求。另一方面,基于紫光投影的光固化立體造型技術,受限于現有浸沒型打印模式、光學投影系統分辨率與數據處理的影響,打印的橫向精度(特征尺寸)大于60微米的結構,難以滿足生物芯對微小結構、較大面積的制作要求(參考文獻1)。因此,高精度微納3D打印系統雖有很大市場需求,卻一直是未能攻克的難題。

               蘇大維格研發團隊利用在大面積微納直寫裝備、大數據圖形設計與處理、R2R納米壓印技術的研制與應用方面的長期技術積累,將微納光刻光路系統應用于3D打印的光學結構中,將3D打印系統的橫向打印精度提高了一個數量級。

               不同于以往立體光固化(SLA) 3D打印機,被打印物體均是浸沒在膠槽中,縱向打印精度由光斑聚焦深度決定的方法(參見圖2,參考文獻1),橫向與縱向打印分辨率都低。

        圖2 傳統SLA 3D打印模式示意圖

               團隊發明了“涂層-曝光-分離”的新的打印模式,獲得了更高的縱向(分層)打印精度。 團隊開發的逐層涂布,逐層打印微結構的光固化分離的新型SLA 3D打印技術,使3D物體縱向打印精度顯著提高。攻克了以往SLA 3D打印機,后繼打印層過程對已打印層有較大影響的共性難題。研制的“微納3D打印系統Multi-μ 3D Printer”,可打印極高精度的微3D結構。橫向精度(特征結構)5μm-25μm(投影分辨率1微米),縱向精度(層厚)2μm-20μm。3D打印的測試結果如下圖3:

        橫向結構測試:錐狀頂5微米,底50微米,高150微米

        層厚測試:最小層厚2微米

        空心柱測試:壁25微米,高180微米。側壁光滑清晰,共焦顯微鏡拍攝

        空心柱開孔測試:孔邊長50微米;漸變3D打印樣品(右)SEM照片

        3 微納3D打印的測試樣品

         

               上述高精度3D打印機將是微納3D打印系統之一。結合微納壓印/轉印技術,微納3D打印系統Multi-μ 3D Printer,有望在生物芯片、傳感器、MEMS器件制備等方面發揮重要作用。

        4 高精度微納3D打印系統:Multi-μ 3D Printer照片

         

               如用于細胞檢測的高深寬比的微柱陣列等各種生物芯片(下圖)和通常方法不能夠實現的微納結構的3D打印。

        圖5 生物芯片結構示意圖

        參考文獻:

        1. 3D printed microfluidic devices: enablers and barriers, http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/lc/c6lc00284f

        2. T. Billiet, M. Vandenhaute, J. Schelfhout, S. Van Vlierberghe and P. Dubruel, Biomaterials, 2012, 33, 6020–6041

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