《Nature》子刊：3D打印实现2微米微流控通道，比头发丝细30倍

导读：美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）研究团队在《npj Microsystems & Nanoengineering》（Nature旗下子刊）发表最新研究，开发出一种多分辨率3D打印技术，成功实现截面仅1.9×2.0微米的全封闭微流控通道——比人类头发丝细约30倍，打印速度却保持在实用水平。这一突破有望大幅加速芯片实验室、生物医学诊断和化学分析等领域的微型化进程。

2026年3月，南极熊获悉，这项研究由加州大学洛杉矶分校Gong实验室完成，论文题为《Fast multi-resolution 3D printing of microfluidics: enabling 2 μm channels and ultra-compact mixers》，发表于Nature旗下《npj Microsystems & Nanoengineering》期刊。

为什么微流控需要超高精度3D打印？

微流控芯片被誉为"芯片上的实验室"，广泛应用于快速病原体检测、单细胞分析、药物筛选等领域。然而，传统微流控器件制造依赖光刻和软刻蚀（PDMS翻模）工艺，流程复杂、成本高，且难以制造全封闭的三维微型通道。

3D打印（数字光处理立体光刻，DLP-SLA）虽然具备快速、低成本、三维成型等优势，但长期受制于一个根本性矛盾：分辨率越高，打印面积越小；打印越快，精度越低。现有商业化DLP 3D打印机的微流控通道最小尺寸通常在20微米量级，距离实际应用需求仍有较大差距。

双光学引擎：一台打印机，两套分辨率

UCLA团队的解决方案是研发一套"双光学引擎"多分辨率DLP 3D打印系统，核心创新在于：

• 超高分辨率光学引擎（VHROE）：像素间距仅0.75微米，使用365nm紫外LED，专门负责打印微米级精细结构

• 主光学引擎（MOE）：像素间距15微米，使用405nm紫外LED，打印面积达38.9mm×24.3mm，负责快速构建大面积主体结构

两套引擎安装在同一XY移动平台上，在同一次打印任务中协同工作：需要精细特征的地方交给VHROE，大块结构则由MOE完成，从而在速度与精度之间取得最佳平衡。

树脂配方是关键：在Z轴方向也实现多分辨率

仅靠双光学引擎，只能在XY平面实现多分辨率。研究团队还专门配制了一种含有两种紫外吸收剂（NPS和avobenzone）的光固化树脂，使其对两种不同波长的光具有截然不同的穿透深度：

• 365nm光（VHROE）：树脂穿透深度仅2微米，实现极薄的Z向分层（1.5微米/层）

• 405nm光（MOE）：树脂穿透深度达20微米，对应15微米厚分层

这样，Z轴方向也实现了真正的多分辨率打印——精细区域用薄层累积，大结构用厚层快速堆叠。

实验成果：2微米通道、仅17纳升的超紧凑混合器

研究团队通过一系列实验验证了该系统的实际性能：

最小封闭通道：截面1.9×2.0微米，比团队2017年前作（18×20微米）通道截面积缩小了100倍，刷新DLP-SLA打印微流控通道的世界纪录

生物笼（Biocage）：3D打印高度900微米、内径300微米的生物笼结构，笼壁孔径7微米，可用于细胞培养与筛选

三周期极小曲面（TPMS）：在150×150微米截面的封闭通道内嵌入孔径7微米的金刚石晶格TPMS结构，展示了极致的三维复杂度

超紧凑微流控混合器：打印体积仅0.017mm³（17纳升），打印时间21分钟，是目前已报道的最紧凑DLP打印微流控混合器之一

微泵与主动混合：更进一步的流控能力

除被动结构外，研究团队还展示了主动微泵的制造。他们制造了由两个膜式阀门和一个位移腔组成的蠕动泵，并测试了三种不同的泵送时序方案。优化后的四相泵送循环可达到更高的平均流量，为芯片实验室系统中的精确流体控制提供了基础。

在被动混合测试中，团队通过CFD仿真和实验验证，设计出一款超紧凑的三维螺旋混合器，仅需极短的通道长度即可实现充分混合——这正是多分辨率3D打印在Z轴方向的独特优势所在。

南极熊点评

这项研究的意义不仅在于打破了DLP-SLA的分辨率极限，更重要的是它在不牺牲打印速度的前提下做到了这一点。一台21分钟打出17纳升超紧凑混合器的打印机，与传统光刻工艺相比，制造周期从几天缩短到几十分钟，成本也大幅降低。

随着该技术的成熟，我们有望看到可定制的即用型微流控芯片走向实验室普及，甚至进入临床诊断场景——这对3D打印在生命科学领域的渗透将是一次重要推动。

论文信息

标题：Fast multi-resolution 3D printing of microfluidics: enabling 2 μm channels and ultra-compact mixers

期刊：npj Microsystems & Nanoengineering（Nature旗下）

DOI：10.1038/s41378-026-01194-4

来源：Nature / npj Microsystems & Nanoengineering