微纳3D打印：推动海德堡大学IMSEAM微流控技术进步的关键力量

来源：摩方精密

德国历史最悠久的高等学府——海德堡大学，作为欧洲科研项目最密集的机构之一，在2022年时设立了分子系统工程与先进材料研究所（IMSEAM）。为了给繁多的科研项目提供了坚实的后盾，IMSEAM选择了摩方精密的面投影微立体光刻（PµSL）3D打印技术，进一步确保了微孔板、微流控装置以及器官芯片等高精度微型部件的精准制造。通过PµSL技术的应用，显著提高了研究流程的效率和科研成果的整体质量。这一技术的集成，为IMSEAM的科学探索之路开启了新的篇章，实现了科研创新与精密制造的无缝对接。

IMSEAM一直致力于在分子水平上合成和天然的构建模块，创新研发新材料、新方法和新技术。目前，IMSEAM旗下设有四个研究小组以及两个青年研究小组，这些小组致力于材料开发、有机电子、环境科学和生物医疗领域的基础理论与应用研究。此外，IMSEAM为校内其他研究小组提供了设备制造与表征服务（IMSEAM核心设施）、软（生物）材料表征以及微流控技术领域的核心设施支持。

高精度制造，满足多样化需求

微流控技术作为一门迅速发展的前沿领域，其应用已遍及多个学科研究。该技术涉及从流体动力学的深入理解，到基于液滴的微流控方法以合成细胞的创建，以及连续流动微流控和构建复杂器官芯片模型的实践。微流控核心设施部门（µFlu CF）旨在为校内所有对微流控技术感兴趣的研究团队提供全面的支持，涵盖项目设计、微流控芯片制造，以及生物安全实验室等各个环节。

该部门的项目负责人Pashapour博士指出：“2022年5月，我们启动了微流控芯片生产与分析所需的首批设备的采购工作。”在传统的微流控芯片制造过程中，通常采用光刻技术，在涂有光刻胶的硅晶圆上制作主模具。为此，该部门购置了一台无掩模对准器，该设备能够实现1至200 μm范围内高度的2D结构的精确制造。为了确保结构高度的一致性，该部门还需利用干涉轮廓仪进行测量，以监控硅晶圆与曝光光刻胶之间的厚度差异，但测量的公差范围介于1 μm至2-3 mm之间。

Pashapour博士表明：“除了上述工艺流程，我们同样希望能够生产具有3D结构的微流控芯片。因此，我们正在探索合适的3D打印技术解决方案。”

△nanoArch® S140：摩方精密10 μm级3D打印设备，以其卓越的精度，高公差控制能力，成功实现了科研级复杂微零件的制造。

PµSL技术，科研创新的得力工具

在完成了深入的市场调研和全面的评估之后，IMSEAM选定了一个代表性的设计，并将其提交给四至五个供应商进行打印。随后，IMSEAM对这些打印件的精度、质量和打印效率进行了评估。在挑选打印设备的过程中，Pashapour博士着重指出了打印机在打印狭窄通道时保持壁面光滑的重要性，以确保在后续实验中避免湍流的发生。经过严苛的筛选过程，IMSEAM最终决定采用摩方精密的nanoArch® S140（精度：10 μm）3D打印机，这是因为摩方精密能够精确地制造出满足设计规格的样品部件。

摩方精密PμSL 3D打印技术为科研制造领域带来了所需的高分辨率、高准确性和高精确度。作为一种立体光刻（SLA）技术，PμSL依赖于数字光处理引擎（DLP）、精密光学元件、高精度运动控制系统以及相应的软件。与传统的SLA技术相似，PμSL技术通过将部件分层，并利用光源投射到液态光敏树脂上来实现打印。在曝光区域内，树脂中的聚合物发生交联和固化。Pashapour博士评价道：“S140这台设备的表现令人难以置信，它能够制备出非常完美的样件，完全符合我们的需求。

△网格：100 µm细网格的3D打印，用于细胞诱导的变形

△腔室：在腔室中捕获器官样体，腔室宽度为200 µm，两侧腔室有100 µm的流入口

开源兼容，提供精准定制化服务

为了满足微流控技术的高标准需求，IMSEAM采用了nanoArch® S140 3D打印机，以促进其在微流控领域的研究与创新。该打印机拥有94 x 52 x 45 mm³的构建体积，为操作提供了必要的灵活性。该设备的开源特性使得研究所不仅能够使用摩方精密自主研发的材料，还能够选用第三方供应商提供的产品，从而进一步拓宽了材料选择的范围

nanoArch® S140 3D打印机相较于其他制造商的产品，赋予了用户更广泛的打印参数调整权限，这一特点显著增强了打印的定制性和适应性，从而确保能在最佳条件下获得预期结果。设备安装就绪后，摩方精密为IMSEAM团队提供了全面的教学和操作培训，涵盖了设备原理和操作细节。为期一周的培训确保了研究团队对打印机各项功能的深入掌握。

Pashapour博士指出，在尝试打印首个项目期间，他们通过售后服务迅速获得了支持，响应极为迅速。自2023年9月起，nanoArch® S140便保持全天候运行，仅在圣诞节假期期间暂停。这种不间断的运行状态充分体现了打印机的高效与可靠性。Pashapour博士还提到，团队已进行了一次膜的更换，并参加了在线培训课程，旨在进一步提高打印技术并优化打印流程。

△150 µm空心立方体：涂覆碳纳米管，用于3D细胞激活胞诱导的变形

△微孔板：3D打印的微孔，直径和深度均为80 µm，间距为20 µm，用于捕获GUVs

激活科研潜力，加速研究成果实现转化

IMSEAM的微流控核心设施部门（µFlu CF）已成功部署了摩方精密PμSL 3D打印技术，特别是其在玻璃基板上直接打印黄色树脂的能力，显得尤为关键。Pashapour博士强调，这种能力为微流控过程的分析提供了更清晰和直观的观察视角，进而促进了对于微流控机制更深入的理解。

尽管如此，Pashapour博士也提及了所面临的一些挑战，尤其是在将玻璃板在构建平台上进行微米级精度对齐的过程中。目前，团队主要依靠卡尺来完成这一任务，但Pashapour博士期望未来能够获得更先进的软件支持，以提升对齐的精确度和操作效率。

此外，IMSEAM已成功完成了多个项目，涵盖了具有150 μm空腔的立方体、直径和深度均为80 μm、间距为20 μm的3D打印微孔板，以及用于细胞诱导变形的100 μm精细网格。这些项目的成功实施，不仅展现了nanoArch® S140 3D打印机在精度方面的卓越性能，也凸显了其在微流控领域的关键应用潜力。

Pashapour博士还表示，他们期望能够利用弹性材料进行打印，例如用于合成肺的器官芯片。同时，他们也在探究是否能够通过摩方精密2 μm分辨率的打印机来制造更加精密的支撑结构。

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