“芯片上的實驗室”(Lab-on-a-Chip)又被稱為微流控芯片(Microfluidics Chip)，如果從這兩個以不同角度來命名的技術(shù)名稱上理解微流控芯片，我們可以把這一技術(shù)形象的理解為一種用芯片來實現(xiàn)實驗室功能的技術(shù)，也就是說在一個數(shù)十平方厘米甚至更小的芯片上將樣品的預(yù)處理、進(jìn)樣、混合、反應(yīng)、分離和檢測等實驗室操作與相關(guān)功能集成在一起，并以微通道網(wǎng)絡(luò)貫穿各個實驗環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)對整個實驗系統(tǒng)的靈活操控，承載傳統(tǒng)化學(xué)或生物實驗室的各項功能。

近年來，微流控芯片技術(shù)在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、分析化學(xué)等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。目前，3D打印技術(shù)在微流控芯片制造中的應(yīng)用雖處于早期階段，但在這一領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了快速發(fā)展。

1. 集成化、微型化、即時生產(chǎn)

微流控芯片的制造材料主要有硅、玻璃石英、高分子聚合以及紙基，其中高分子聚合物材料由于成本低、種類多，便于實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，已成為了微流控芯片制造的主要材料，其中常用的材料有聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane， PDMS）、聚苯乙烯（polysty-rene，PS）和環(huán)烯烴共聚物（（cycloolefincoplymer，COC）等。

目前，用于制作微流控芯片的微加工技術(shù)大多繼承自半導(dǎo)體工業(yè)，其加工過程工序繁多，且依賴于價格高昂的先進(jìn)設(shè)備。常用的加工方法包括：在微流控芯片的表面微加工、軟印、壓印 、注射成型、激光燒蝕等。這些加工過程需要在超凈間內(nèi)完成，并且工序復(fù)雜，所需空間也大，對設(shè)計與加工人員的經(jīng)驗依賴度高。

與半導(dǎo)體加工領(lǐng)域嘗試用3D打印這種增材制造技術(shù)進(jìn)行電子元件的直接快速成型的應(yīng)用類似，近年來微流控芯片制造的研發(fā)與制造領(lǐng)域也逐漸引入了3D打印技術(shù)。在2010年以前，基于材料噴射的Polyjet 3D打印技術(shù)最先被用于3D打印微流控芯片的制造領(lǐng)域，在應(yīng)用時首先通過該技術(shù)打印出模具，然后再用PDMS材料倒模制造出微流控芯片。2011年以后，通過3D打印技術(shù)直接一次性成型制造微流控芯片的應(yīng)用逐漸出現(xiàn)。與使用3D打印設(shè)備直接打印出傳感器等電子元件的方式類似，3D打印設(shè)備可以進(jìn)行微流控芯片的直接一次性成型。

直接制造微流控芯片的工藝主要包括光聚合工藝和材料擠出工藝，這些工藝所制造的微流控芯片以高分子聚合物的芯片為主。在光聚合工藝領(lǐng)域，微納級的3D打印技術(shù)已被用于微流控芯片制造中。例如深圳摩方材料與德國Nanoscribe 公司的納米級3D打印技術(shù)。摩方科技采用了源自麻省理工學(xué)院的PμLSE（面投影微立體光刻）技術(shù)，Nanoscribe公司采用的是雙光子聚合（TPP）技術(shù)。

圖片來源：ASME

此外，2017年美國楊百翰大學(xué)的一組科研團(tuán)隊研發(fā)出一種用于聚合物微流控芯片制造的微納級3D打印技術(shù)-數(shù)字化處理光固化立體造型（DLP-SLA）技術(shù)。用該技術(shù)打印的芯片尺寸小于100微米，其流體管道橫截面小至18微米×20微米。研究團(tuán)隊表示，這臺打印機(jī)使用了385納米的LED，具有更高的打印分辨率，打印材料為特別設(shè)計的低成本的定制樹脂，在30分鐘內(nèi)就可以打印出一個微流控芯片。這個3D打印技術(shù)可以挑戰(zhàn)現(xiàn)有的微流體原型設(shè)計和開發(fā)所用的軟光刻技術(shù)和熱壓技術(shù)。

除了聚合物微流控3D打印技術(shù)，部分陶瓷3D打印技術(shù)已被用于打印陶瓷微流控芯片。參考：3D打印陶瓷微系統(tǒng)推進(jìn)微流控芯片或人體器官芯片應(yīng)用。

除了上圖中列舉的3D打印技術(shù)之外，還有學(xué)者在進(jìn)行科學(xué)研究時利用生物3D打印機(jī)，即將含有幾種不同細(xì)胞的生物墨水打印到微流控芯片的微反應(yīng)器上，從而制成多器官微流控芯片。參考：生物3D打印技術(shù)開發(fā)的多器官微流控芯片。3D打印在紙基微流控芯片制造領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了發(fā)展。

這些3D打印技術(shù)所具有的優(yōu)勢各不相同，因此每種技術(shù)適合制造的微流控芯片種類也有所差異。比如說FDM技術(shù)較適合制造精度要求不高的微流控芯片，而DLP、TPP等這種基于光聚合工藝的3D打印技術(shù)則更適合制造精度要求高的微流控芯片。另外，在實際應(yīng)用時，還需要結(jié)合各種技術(shù)的設(shè)備成本、材料成本、打印效率以及后處理的成本與效率等因素，綜合考慮選擇哪種3D打印技術(shù)。

總體來說，傳統(tǒng)的微流控芯片制造技術(shù)屬于勞動密集型的產(chǎn)業(yè)，將3D打印技術(shù)用于制造微流控生物芯片可以在幾個小時內(nèi)實現(xiàn)微型流體通道的快速制造，有利于設(shè)計的快速迭代，提高了基于微流控研究的跨學(xué)科性，并加速創(chuàng)新。目前，3D打印技術(shù)在微流控芯片制造中的應(yīng)用尚處于早期階段，其應(yīng)用以芯片研發(fā)、設(shè)計驗證為主。那么，未來3D打印是否會全部替代傳統(tǒng)的微流控芯片制造工藝呢？ 在3D科學(xué)谷看來，這些技術(shù)將長期同時存在與發(fā)展，3D打印技術(shù)將在集成化程度高、微型化以及即時診斷微流控芯片的生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的價值。

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