通過雙光子聚合制造的3D打印旋轉微過濾器

來源：江蘇激光聯盟

來自中科大、合肥工業(yè)大學和日本RIKEN高級光子學中心的研究人員制造了一種磁驅動旋轉微過濾器，可用于過濾微流體設備內的顆粒。他們通過創(chuàng)造一種磁性材料制成了微小的轉動過濾器，這種材料可以與一種稱為雙光子聚合的非常精確的3D打印技術一起使用。

作為利用便攜性、安全性和效率優(yōu)勢的微型實驗室平臺，片上實驗室系統已廣泛應用于各個領域。近年來，得益于飛秒激光微納制造技術的不斷進步，用于三維（3D）高精度加工、微光學、微流體等多種功能微元件和微機械可以通過簡單的程序集成到微芯片中，實現分子檢測、細胞操作、催化反應等應用。

常見的功能性微芯片之一是微分選裝置，對分離顆粒和富集特殊細胞具有重要意義，并已成功應用于單細胞分析、藥物篩選、血細胞分離等。目前的微流控分選方法可分為主動分選和被動分選。前者需要使用外部設備或外力，操作復雜，需要昂貴的設備。同時，后者在集成無源微器件的微流控芯片中實現了無外力的細胞或顆粒分選。微米級微孔過濾器是一種傳統的被動分選裝置，可以根據孔徑大小對顆粒或細胞進行分選。由于過濾器中的孔的數量和形狀不能在分選過程中動態(tài)改變，因此無法靈活地按需分選不同的顆粒或細胞，從而限制了微芯片的使用。因此，開發(fā)一種可以自由切換過濾、通過、選擇性過濾等過濾模式的多功能過濾器，可以使應用多樣化。

在該研究中，來自中科大、合肥工業(yè)大學和日本RIKEN高級光子學中心的研究人員使用飛秒激光雙光子聚合在微流控芯片中制造了磁性旋轉微過濾器。研究人員首先合成了磁性納米顆粒，將其混合在光刻膠中以制備磁性光刻膠。為了聚合制備的磁性光刻膠，優(yōu)化了激光功率密度、脈沖數和掃描間隔等不同工藝參數。然后在載玻片上制作旋轉微過濾器，并測試其磁驅動性能。最后，將旋轉微過濾器集成到微流控芯片中。在恒定磁場下證明了微流控芯片內部過濾器對“過濾”和“通過”模式的磁響應。過濾性能是用在酒精溶液中含有直徑為 2.5 和 8.0 μm 的聚苯乙烯 (PS) 球體的懸浮液來測試的，顯示完全過濾了 8.0 μm 的顆粒。設想這種磁驅動旋轉微過濾器可以在血細胞分選、微粒純化和循環(huán)腫瘤細胞分離方面提供廣泛的應用。

▲圖1. 磁驅動旋轉微過濾器的制造過程和磁性顆粒的表征。(a) 具有可切換模式功能的磁驅動旋轉微過濾器的制造過程示意圖。(b) [Math Processing Error] 納米粒子的 XRD 圖。(c) 小熊貓的 SEM 圖像。EDX 映射圖像說明來自印刷的小熊貓的 (d) 覆蓋層、(e) 碳和 (f) 鐵。比例尺：5 μm。

他們使用雙光子聚合創(chuàng)建了新的過濾器，它使用聚焦的飛秒激光束來固化或聚合一種稱為光刻膠的液體光敏材料。由于雙光子吸收，聚合可以以非常精確的方式完成，從而能夠制造微米級的復雜結構。

圖2. 雙光子示意圖

為了制造微過濾器，研究人員合成了磁性納米粒子并將它們與光刻膠混合。制造旋轉式微過濾器要求它們優(yōu)化用于聚合的激光功率密度、脈沖數和掃描間隔。在載玻片上測試其磁驅動特性后，他們將微過濾器集成到微流體裝置中。

多種過濾模式
為了過濾較大的顆粒，應用垂直于微通道的磁場。過濾過程完成后，可以通過施加平行于微通道的磁場釋放大顆粒，這將使微過濾器旋轉 90°。然后可以根據需要重復過濾過程。

研究人員使用混合在酒精溶液中的直徑為 8.0 和 2.5 微米的聚苯乙烯顆粒驗證了過濾器的過濾性能�！昂苊黠@，小于孔徑的顆粒很容易通過微過濾器，而較大的顆粒則被過濾掉，”中國科學技術大學的張晨初說。“在通過模式下，過濾器捕獲的任何較大顆粒都會被流體沖走，從而防止過濾器堵塞并允許重復使用微過濾器�！�

▲圖3. 磁力旋轉微濾器的參數優(yōu)化與設計。(a) 不同激光功率密度下最小脈沖數的聚合窗口。(b) 磁旋轉微過濾器的示意圖�！緮祵W加工誤差】為外徑，【數學加工誤差】為軸套內徑。蓋玻片上的磁性旋轉微過濾器 (c) 和通道中的 (d) 的 SEM 圖像。所有比例尺：10 μm。

▲圖4. 制造的微過濾器的磁驅動旋轉。(a) 在平面上操縱磁旋轉微過濾器的示意圖。(b) 通過施加不同方向的均勻磁場，在平坦表面上的液體環(huán)境中操作磁旋轉微過濾器的演示。(c) 磁性操縱通道中旋轉微過濾器的示意圖。(d) 和 (e) 在充滿乙醇的微通道中展示磁性旋轉微過濾器的旋轉以切換模式。

該研究得到了中國國家自然科學基金、中國國家重點研發(fā)項目、中國博士后科學基金和中央大學基礎研究基金的支持，相關成果發(fā)表在光學學會雜志Optics Letters上。


Chaowei Wang et al, Magnetically driven rotary microfilter fabricated by two-photon polymerization for multimode filtering of particles, Optics Letters (2021). DOI: 10.1364/OL.428751