苏大维格高精度微纳3D打印技术

       在IC芯片、生物芯片工程、微纳功能材料的研究和应用中,光刻技术扮演了不可或缺的角色。利用微纳光刻技术与增材制造的原理,开发的微结构3D打印技术是一项前瞻性、战略性技术。由于其工程应用性强,领域跨度大,对未来先进制造业,尤其是高端制造、功能器件的发展十分重要。然而,已有的3D打印技术在打印精度、幅面上仍难以满足高精度器件的研究与应用需求。例如,针对生物应用领域,3D 打印技术仍未有效解决打印尺寸与打印精度不能兼顾的难题。

 

1为打印用于组织工程领域实现载体支架打印。3D打印技术为生物科学研究和医疗诊断方法提供了新的可能性,然而3D打印技术在生物领域的应用也面临不少局限性,主要表现在打印精度和打印幅面无法满足应用要求。

 

       一方面,基于超快激光的双光子效应的立体造型技术,可实现小到0.1 μm的3D结构打印,然而,由于其单束串行打印模式,工作效率极低,幅面小(数百微米),达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体造型技术,受限于现有浸没型打印模式、光学投影系统分辨率与数据处理的影响,打印的横向精度(特征尺寸)大于60微米的结构,难以满足生物芯对微小结构、较大面积的制作要求(参考文献1)。因此,高精度微纳3D打印系统虽有很大市场需求,却一直是未能攻克的难题。

       苏大维格研发团队利用在大面积微纳直写装备、大数据图形设计与处理、R2R纳米压印技术的研制与应用方面的长期技术积累,将微纳光刻光路系统应用于3D打印的光学结构中,将3D打印系统的横向打印精度提高了一个数量级。

       不同于以往立体光固化(SLA) 3D打印机,被打印物体均是浸没在胶槽中,纵向打印精度由光斑聚焦深度决定的方法(参见图2,参考文献1),横向与纵向打印分辨率都低。

图2 传统SLA 3D打印模式示意图

       团队发明了“涂层-曝光-分离”的新的打印模式,获得了更高的纵向(分层)打印精度。 团队开发的逐层涂布,逐层打印微结构的光固化分离的新型SLA 3D打印技术,使3D物体纵向打印精度显著提高。攻克了以往SLA 3D打印机,后继打印层过程对已打印层有较大影响的共性难题。研制的“微纳3D打印系统Multi-μ 3D Printer”,可打印极高精度的微3D结构。横向精度(特征结构)5μm-25μm(投影分辨率1微米),纵向精度(层厚)2μm-20μm。3D打印的测试结果如下图3:

横向结构测试:锥状顶5微米,底50微米,高150微米

层厚测试:最小层厚2微米

空心柱测试:壁25微米,高180微米。侧壁光滑清晰,共焦显微镜拍摄

空心柱开孔测试:孔边长50微米;渐变3D打印样品(右)SEM照片

3 微纳3D打印的测试样品

 

       上述高精度3D打印机将是微纳3D打印系统之一。结合微纳压印/转印技术,微纳3D打印系统Multi-μ 3D Printer,有望在生物芯片、传感器、MEMS器件制备等方面发挥重要作用。

4 高精度微纳3D打印系统:Multi-μ 3D Printer照片

 

       如用于细胞检测的高深宽比的微柱阵列等各种生物芯片(下图)和通常方法不能够实现的微纳结构的3D打印。

图5 生物芯片结构示意图

参考文献:

  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