CN111389472B - 一种电纺直写多层微流控芯片制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电纺直写多层微流控芯片制备装置及制备方法，该电纺直写多层微流控芯片制备装置包括左喷射单元、中间喷射单元、右喷射单元和固化单元，利用纺丝射流的稳定运动阶段进行有序的纳米纤维沉积，通过左喷头、中间喷头和右喷头和固化单元的配合，对基底表面依次喷射形成PDMS覆盖层、螺旋形状的PEO覆盖层、PDMS覆盖层、直线PEO覆盖层和上层PDMS覆盖层，然后铣除PEO覆盖层、进而形成特定通道的微流控芯片，一次性制备出多层微流控芯片，工艺简单方便，不用后期封装，芯片密封性好，精度高。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片制备技术领域，具体为一种电纺直写多层微流控芯片制备装置及制备方法。
微流控芯片是通过微细加工技术将微管道、微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件、窗口和连接器等部分或全部功能元器件像集成电路一样，使它们集成在芯片材料上的微全分析***。它以微管道网络为结构特征，相比于传统的分析仪器，微流控芯片具有效率高、操作简便、成本低等众多有点优点被广泛应用在医药分析、生物化学、环境监测等众多领域并取得了良好的效果。
传统的制备微流控芯片的方法有光刻法（发明专利CN201810054932.2）、模塑法（发明专利CN201410149225.3）等。光刻法在使用时所用的光刻机价格昂贵，操作复杂；模塑法需要提前制备好模具，制造过程还需要翻模，制造工序复杂，脱模时影响产品精度和表面质量。而且传统方法制备微流控芯片后期还需要进行封装，存在密封不良、泄露等问题。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一 些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有 微流控芯片制备过程中中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是提供一种电纺直写多层微流控芯片制备装置及制备方法，工艺简单方便、可一次性制备出多层微流控芯片，不用后期封装，芯片密封性好，精度高。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种电纺直写多层微流控芯片制备装置，其包括：
左喷射单元，具有喷射液体形成射流鞭动，并在基底上沉积出螺旋形状的左喷头；
中间喷射单元，具有喷射液体发散，并覆盖基底表面的中间喷头；
右喷射单元，具有喷射液体在基底上沉积出一条直线的右喷头；
固化单元，区分为驱动电源、分别与所述驱动电源电连接的左加热器和右加热器，所述左加热器位于所述左喷头和中间喷头之间，所述右加热器位于所述中间喷头和所述右喷头之间。
作为本发明所述的一种电纺直写多层微流控芯片制备装置的一种优选方案，其中，所述左喷射单元还包括左储液箱、和与所述左储液箱的出液端连通的左溶液泵以及与所述左喷头电连接的左高压电源，所述左溶液泵的进液端与所述左溶液泵的出液端连通。
作为本发明所述的一种电纺直写多层微流控芯片制备装置的一种优选方案，其中，所述中间喷射单元还包括中间储液箱、和与所述中间储液箱的出液端连通的中间溶液泵以及与所述中间喷头电连接的中间高压电源，所述中间溶液泵的进液端与所述中间溶液泵的出液端连通。
作为本发明所述的一种电纺直写多层微流控芯片制备装置的一种优选方案，其中，所述右喷射单元还包括右储液箱、和与所述右储液箱的出液端连通的右溶液泵以及与所述右喷头电连接的右高压电源，所述右溶液泵的进液端与所述右溶液泵的出液端连通。
作为本发明所述的一种电纺直写多层微流控芯片制备装置的一种优选方案，其中，所述左喷头和右喷头由导电材料制成，其内径范围为45μm~1200μm。
作为本发明所述的一种电纺直写多层微流控芯片制备装置的一种优选方案，其中，所述左喷头和右喷头均包裹有静电防护罩。
一种电纺直写多层微流控芯片的制备方法，具体步骤如下：
将基底置于左右往复运动平台上，使基底的左端放置于中间喷头正下方，基底随左右往复运动平台向左移动，同时中间喷头喷射PDMS射流覆盖在基底，当基底的右端移出中间喷头下方时，中间喷头停止供液，基底随左右往复运动平台继续向左移动，位于基底表面的PDMS射流在左加热器在光照和加热的作用下，PDMS射流固化在基底表面;
基底随左右往复运动平台反向向右移动，当基底的右端到达左喷头的正下方时，左喷头喷射PEO溶液，在基底表面形成螺旋装纺丝溶液，当基底左端移出左喷头下方时，左喷头停止供液；
基底随左右往复运动平台继续向右移动，当基底经过左加热器下方时，位于基底表面的螺旋装纺丝溶液在左加热器在光照和加热的作用下，螺旋装纺丝溶液固化在基底表面；
基底随左右往复运动平台继续向右移动，当基底右端移动至中间喷头下方时，中间喷头喷射的PDMS射流覆盖在已固化的PEO溶液和基底上，形成分层结构，直至基底左端移出中间喷头下方时，中间喷头停止喷射；
基底的继续向右移动，覆盖在已固化的PEO溶液和基底表面的PDMS溶液随基底移动动到右加热器的下方，在右加热器加热作用下固化形成中PDMS覆盖层；
基底继续向右移动至右喷头下方，右喷头喷射形成电纺丝射流，使射流直写并沉积在已固化的中PDMS覆盖层上，当基底左端移出右喷头下方时， 右喷头停止供液；
左右往复运动平台带动基底向左反向移动，当基底左端移动至右加热器下方时，直写射流固化，当基底左端再移动至中间喷头下方时，中间喷头再次喷射PDMS射流覆盖在已固化的直写射流上，形成分层结构，当基底右端移出中间喷头下方时，中间喷头停止供液，当覆盖的PDMS溶液随基底移动至左加热器下方，PDMS溶液固化形成上层PDMS覆盖层；
取下基底（H），将已固化的PEO层铣除，形成三层PDMS结构的微流控芯片。
作为本发明所述的一种电纺直写多层微流控芯片的制备方法的一种优选方案，其中，所述左喷头喷射PEO溶液方法如下：左溶液泵将左储液箱中PEO溶液输送到左喷头处，并从左喷头处喷射。
作为本发明所述的一种电纺直写多层微流控芯片的制备方法的一种优选方案，其中，所述中间喷头喷射PDMS溶液方法如下：中间溶液泵将中间储液箱中PDMS溶液输送到中间喷头处，并从中间喷头处喷射。
作为本发明所述的一种电纺直写多层微流控芯片的制备方法的一种优选方案，其中，所述右喷头喷射PEO溶液方法如下：右溶液泵将右储液箱中PEO溶液输送到右喷头处，并从右喷头处喷射。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：利用纺丝射流的稳定运动阶段进行有序的纳米纤维沉积，通过左喷头、中间喷头和右喷头和固化单元的配合，对基底表面依次喷射形成PDMS覆盖层、螺旋形状的PEO覆盖层、PDMS覆盖层、直线PEO覆盖层和上层PDMS覆盖层，然后铣除PEO覆盖层、进而形成特定通道的微流控芯片，一次性制备出多层微流控芯片、工艺简单方便，不用后期封装，芯片密封性好，精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一种电纺直写多层微流控芯片制备装置结构示意图；
图2为本发明一种电纺直写多层微流控芯片制备装置的左喷头喷射状态示意图；
图3为本发明一种电纺直写多层微流控芯片制备装置的中间喷头喷射状态示意图；
图4为本发明一种电纺直写多层微流控芯片制备装置的右喷头喷射状态示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供一种电纺直写多层微流控芯片制备装置及制备方法，工艺简单方便、可一次性制备出多层微流控芯片，不用后期封装，芯片密封性好，精度高。
图1示出的是本发明一种电纺直写多层微流控芯片制备装置的整体结构示意图，请参阅图1，本实施方式的一种电纺直写多层微流控芯片制备装置，其主体部分包括左喷射单元100、中间喷射单元200、右喷射单元300和固化单元400。
左喷射单元100具有左喷头110，左喷头110喷射液体形成射流鞭动，并在基底H上沉积出螺旋形状的左喷头110，在本实施方式中，左喷射单元100还包括左储液箱120、和与左储液箱120的出液端连通的左溶液泵130以及与左喷头110电连接的左高压电源140，左溶液泵130的进液端与左溶液泵130的出液端连通，左溶液泵130将左储液箱120中PEO溶液输送到左喷头110处，并从左喷头110处喷射，请一并参阅图2，左喷头110与左高压电源140，因此左喷头110和基底H之间形成高压电场，左喷头110喷出的溶液在电场作用下沉积在基底H上。
中间喷射单元200具有中间喷头210，中间喷头210喷射液体发散，并覆盖基底H表面，在本实施方式中，中间喷射单元200还包括中间储液箱220、和与中间储液箱220的出液端连通的中间溶液泵230以及与中间喷头210电连接的中间高压电源240，中间溶液泵230的进液端与中间溶液泵230的出液端连通，中间溶液泵230将中间储液箱220中PDMS溶液输送到中间喷头210处，并从中间喷头210处喷射，请一并参阅图3，中间喷头210与中间高压电源240，因此中间喷头210和基底H之间形成高压电场，中间喷头210喷出的溶液在电场作用下沉积在基底H上。
右喷射单元300具有右喷头310，右喷头310喷射液体在基底H上沉积出一条直线，在本实施方式中，右喷射单元300还包括右储液箱320、和与右储液箱320的出液端连通的右溶液泵330以及与右喷头310电连接的右高压电源340，右溶液泵330的进液端与右溶液泵330的出液端连通，右喷头210喷射PEO溶液方法如下：右溶液泵230将右储液箱220中PEO溶液输送到右喷头210处，并从右喷头210处喷射，请一并参阅图4，右喷头110与右高压电源340，因此右喷头310和基底H之间形成高压电场，右喷头310喷出的溶液在电场作用下沉积在基底H上。
固化单元400，区分为驱动电源410、分别与驱动电源410电连接的左加热器420和右加热器430，左加热器420位于左喷头110和中间喷头210之间，右加热器430位于中间喷头210和右喷头310之间，用于促进喷头喷出液体的固化，在本实施方式中，左加热器420和右加热器430选用石固特UV固化灯。
在本实施方式中，左喷头110和右喷头310由导电材料制成，其内径范围为45μm~1200μm，左喷头110和右喷头310均包裹有静电防护罩。
本发明还提供一种电纺直写多层微流控芯片的制备方法，其具体步骤如下：
将基底H置于左右往复运动平台上，使基底H的左端放置于中间喷头210正下方，基底H随左右往复运动平台向左移动，同时中间喷头210喷射PDMS射流覆盖在基底H表面，当基底H的右端移出中间喷头210下方时，中间喷头210停止供液，基底H随左右往复运动平台继续向左移动，位于基底H表面的PDMS射流在左加热器420在光照和加热的作用下，PDMS射流固化在基底H表面;
基底H随左右往复运动平台反向向右移动，当基底H的右端到达左喷头110的正下方时，左喷头110喷射PEO溶液，在基底H表面形成螺旋装纺丝溶液，当基底H左端移出左喷头下方时，左喷头110停止供液，其中，左喷头110喷射PEO溶液方法如下：左溶液泵130将左储液箱120中PEO溶液输送到左喷头110处，并从左喷头110处喷射。
基底H随左右往复运动平台继续向右移动，当基底H经过左加热器420下方时，位于基底H表面的螺旋装纺丝溶液在左加热器420在光照和加热的作用下，螺旋装纺丝溶液固化在基底H表面；
基底H随左右往复运动平台继续向右移动，当基底H右端移动至中间喷头210下方时，中间喷头210喷射的PDMS射流覆盖在已固化的PEO溶液和基底H上，形成分层结构，直至基底H左端移出中间喷头210下方时，中间喷头210停止喷射，其中，中间喷头210喷射PDMS溶液方法如下：中间溶液泵230将中间储液箱220中PDMS溶液输送到中间喷头210处，并从中间喷头210处喷射。
基底H的继续向右移动，覆盖在已固化的PEO溶液和基底H表面的PDMS溶液随基底H移动动到右加热器430的下方，在右加热器430加热作用下固化形成中PDMS覆盖层；
基底H继续向右移动至右喷头310下方，右喷头310喷射形成电纺丝射流，使射流直写并沉积在已固化的中PDMS覆盖层上，当基底H左端移出右喷头310下方时， 右喷头310停止供液，其中，右喷头210喷射PEO溶液方法如下：右溶液泵230将右储液箱220中PEO溶液输送到右喷头210处，并从右喷头210处喷射。
左右往复运动平台带动基底H向左反向移动，当基底H左端移动至右加热器430下方时，直写射流固化，当基底H左端再移动至中间喷头210下方时，中间喷头210再次喷射PDMS射流覆盖在已固化的直写射流上，形成分层结构，当基底右端移出中间喷头210下方时，中间喷头210停止供液，当覆盖的PDMS溶液随基底H移动至左加热器420下方，PDMS溶液固化形成上层PDMS覆盖层；
取下基底H，将已固化的PEO层铣除，形成三层PDMS结构的微流控芯片。
本发明利用纺丝射流的稳定运动阶段进行有序的纳米纤维沉积，通过左喷头110、中间喷头210和右喷头310和固化单元400的配合对基底H表面依次喷射形成PDMS覆盖层、螺旋形状的PEO覆盖层、PDMS覆盖层、直线PEO覆盖层和上层PDMS覆盖层，然后铣除PEO覆盖层、进而形成特定通道的微流控芯片，一次性制备出多层微流控芯片、工艺简单方便，不用后期封装，芯片密封性好，精度高。
虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种电纺直写多层微流控芯片制备装置，其特征在于，包括：
左喷射单元（100），具有喷射液体形成射流鞭动，并在基底（H）上沉积出螺旋形状的左喷头（110）；
中间喷射单元（200），具有喷射液体发散，并覆盖基底（H）表面的中间喷头（210）；
右喷射单元（300），具有喷射液体在基底（H）上沉积出一条直线的右喷头（310）；
固化单元（400），区分为驱动电源（410）、分别与所述驱动电源（410）电连接的左加热器（420）和右加热器（430），所述左加热器（420）位于所述左喷头（110）和中间喷头（210）之间，所述右加热器（430）位于所述中间喷头（210）和所述右喷头（310）之间；
左右往复运动平台，所述基底（H）位于所述左右往复运动平台上。
2.根据权利要求1所述的一种电纺直写多层微流控芯片制备装置，其特征在于，所述左喷射单元（100）还包括左储液箱（120）、和与所述左储液箱（120）的出液端连通的左溶液泵（130）以及与所述左喷头（110）电连接的左高压电源（140），所述左溶液泵（130）的进液端与所述左溶液泵（130）的出液端连通。
3.根据权利要求1所述的一种电纺直写多层微流控芯片制备装置，其特征在于，所述中间喷射单元（200）还包括中间储液箱（220）、和与所述中间储液箱（220）的出液端连通的中间溶液泵（230）以及与所述中间喷头（210）电连接的中间高压电源（240），所述中间溶液泵（230）的进液端与所述中间溶液泵（230）的出液端连通。
4.根据权利要求1所述的一种电纺直写多层微流控芯片制备装置，其特征在于，所述右喷射单元（300）还包括右储液箱（320）、和与所述右储液箱（320）的出液端连通的右溶液泵（330）以及与所述右喷头（310）电连接的右高压电源（340），所述右溶液泵（330）的进液端与所述右溶液泵（330）的出液端连通。
5.根据权利要求1或2或4所述的一种电纺直写多层微流控芯片制备装置，其特征在于，所述左喷头（110）和右喷头（310）由导电材料制成，其内径范围为45μm~1200μm。
6.根据权利要求1所述的一种电纺直写多层微流控芯片制备装置，其特征在于，所述左喷头（110）和右喷头（310）均包裹有静电防护罩。
7.一种电纺直写多层微流控芯片的制备方法，采用如权利要求1-6任一项所述的电纺直写多层微流控芯片制备装置制备，其特征在于，具体步骤如下：
将基底（H）置于左右往复运动平台上，使基底（H）的左端放置于中间喷头（210）正下方，基底（H）随左右往复运动平台向左移动，同时中间喷头（210）喷射PDMS射流覆盖在基底（H）表面，当基底（H）的右端移出中间喷头（210）下方时，中间喷头（210）停止供液，基底（H）随左右往复运动平台继续向左移动，位于基底（H）表面的PDMS射流在左加热器（420）在光照和加热的作用下，PDMS射流固化在基底（H）表面;
基底（H）随左右往复运动平台反向向右移动，当基底（H）的右端到达左喷头（110）的正下方时，左喷头（110）喷射PEO溶液，在基底（H）表面形成螺旋装纺丝溶液，当基底（H）左端移出左喷头下方时，左喷头（110）停止供液；
基底（H）随左右往复运动平台继续向右移动，当基底（H）经过左加热器（420）下方时，位于基底（H）表面的螺旋装纺丝溶液在左加热器（420）在光照和加热的作用下，螺旋装纺丝溶液固化在基底（H）表面；
基底（H）随左右往复运动平台继续向右移动，当基底（H）右端移动至中间喷头（210）下方时，中间喷头（210）喷射的PDMS射流覆盖在已固化的PEO溶液和基底（H）上，形成分层结构，直至基底（H）左端移出中间喷头（210）下方时，中间喷头（210）停止喷射；
基底（H）的继续向右移动，覆盖在已固化的PEO溶液和基底（H）表面的PDMS溶液随基底（H）移动动到右加热器（430）的下方，在右加热器（430）加热作用下固化形成中PDMS覆盖层；
基底（H）继续向右移动至右喷头（310）下方，右喷头（310）喷射形成电纺丝射流，使射流直写并沉积在已固化的中PDMS覆盖层上，当基底（H）左端移出右喷头（310）下方时， 右喷头（310）停止供液；
左右往复运动平台带动基底（H）向左反向移动，当基底（H）左端移动至右加热器（430）下方时，直写射流固化，当基底（H）左端再移动至中间喷头（210）下方时，中间喷头（210）再次喷射PDMS射流覆盖在已固化的直写射流上，形成分层结构，当基底右端移出中间喷头（210）下方时，中间喷头（210）停止供液，当覆盖的PDMS溶液随基底（H）移动至左加热器（420）下方，PDMS溶液固化形成上层PDMS覆盖层；
取下基底（H），将已固化的PEO层铣除，形成三层PDMS结构的微流控芯片。
8.根据权利要求7所述的一种电纺直写多层微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述左喷头（110）喷射PEO溶液方法如下：左溶液泵（130）将左储液箱（120）中PEO溶液输送到左喷头（110）处，并从左喷头（110）处喷射。
9.根据权利要求7所述的一种电纺直写多层微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述中间喷头（210）喷射PDMS溶液方法如下：中间溶液泵（230）将中间储液箱（220）中PDMS溶液输送到中间喷头（210）处，并从中间喷头（210）处喷射。
10.根据权利要求7所述的一种电纺直写多层微流控芯片的制备方法，其特征在于，所述右喷头（210）喷射PEO溶液方法如下：右溶液泵（230）将右储液箱（220）中PEO溶液输送到右喷头（210）处，并从右喷头（210）处喷射。
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