在本文中，我們解釋了現(xiàn)有的3D打印技術(shù)，3D打印的變化和局限性。本文介紹的3D打印技術(shù) 基于相同的加法過程系統(tǒng)，每個(gè)對(duì)象通過信息系統(tǒng)切成薄片然后再逐層構(gòu)建。

微流控3D打印機(jī)的類型

微流體3D打印機(jī)：科學(xué)應(yīng)用
3D打印是一種古老的工廠工藝，是增材制造的一種傾斜。隨著效率的提高，3D打印在許多不同的領(lǐng)域中找到了應(yīng)用，例如微流控技術(shù)。3D打印技術(shù)允許使用多種材料以廉價(jià)的成本開發(fā)出任何一次性物品。3D打印的準(zhǔn)確性已經(jīng)非常高了，足可以創(chuàng)建微流體系統(tǒng)，并且現(xiàn)今的市場上已經(jīng)存在這種3D打印機(jī)。

微流體3D打印機(jī)：選擇性激光熔化（SLM）
這里，激光束在整個(gè)打印方案中移動(dòng)并加熱粉末狀材料，直到材料的熔點(diǎn)，粉末變成固化的結(jié)構(gòu)。一旦完成該步驟，輥?zhàn)泳蜁?huì)將粉末放在已向下移動(dòng)一層高度的工件上方，然后再次開始激光燒結(jié)過程。
選擇性激光熔化更多地用于金屬成分。

微流體3D打印機(jī)：選擇性激光燒結(jié)（SLS）
選擇性激光燒結(jié)就像SLM一樣，但有一個(gè)區(qū)別：激光束不會(huì)在材料的熔點(diǎn)加熱，它會(huì)在材料熔點(diǎn)之前停止加熱，并在粉狀材料的晶粒之間產(chǎn)生內(nèi)聚力，因此，熱量會(huì)重新組合粉末材料之間的晶粒并產(chǎn)生內(nèi)聚力。
選擇性激光燒結(jié)更多地應(yīng)用于熱塑性組合物。

微流體3D打印機(jī)：熔融沉積建模（FDM）
熔融沉積建模是世界上常用的3D打印過程，簡單GX。它適用于許多應(yīng)用領(lǐng)域。熔融沉積建模的原理是放下加熱的塑料，將加熱框架放在平坦的表面上（對(duì)應(yīng)于X和Y的移動(dòng)），然后逐片向上移動(dòng)（在Z軸上移動(dòng)）。所有這些移動(dòng)都描述了該空間的3軸即笛卡爾空間。

微流體3D打印機(jī)：立體光刻設(shè)備（SLA）
立體光刻設(shè)備具有與選擇性激光熔化和選擇性激光燒結(jié)相同的過程，激光束以曝光參數(shù)加熱樹脂，并使樹脂聚合。物體再次移動(dòng)一層的高度，然后機(jī)器根據(jù)物體的切片投影一個(gè)新方案。產(chǎn)品受紫外線輻射以使其固化。

由于我們正在開發(fā)FDM 3D打印機(jī)，因此，本文的以下部分將僅涉及FDM技術(shù)。

微流體3D打印機(jī)：熔融沉積模型打印機(jī)的材料種類繁多
與您在市場上找到的各種絲狀材料（ABS、PLA、POM、尼龍等）相比，樹脂的多樣性受到限制。材料的類型有很多種：可生物降解、食品接觸證明、耐腐蝕等，每種材料都有其自身的特征和功能。每種材料都常見的一件事是它們?cè)诶鋮s時(shí)會(huì)翹曲，某些材料如ABS如果冷卻得太快則會(huì)發(fā)生高翹曲，而PLA則很少出現(xiàn)這樣的問題。翹曲特性取決于材料工廠的每種材料成分和建議。

微流體3D打印機(jī)：3D打印機(jī)移動(dòng)的不同系統(tǒng)和不同精度
對(duì)于FDM方法，我們必須將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為平移運(yùn)動(dòng)，為此，有2種的解決方案：

（1）帶輪和皮帶系統(tǒng)提供了一種廉價(jià)的解決方案，盡管分辨率降低了精度，但仍可以進(jìn)行高速打印。

（2）螺絲系統(tǒng)：高精度的絲杠和螺母系統(tǒng) – 但是，定位時(shí)會(huì)產(chǎn)生間隙，因此會(huì)降低一點(diǎn)精度。
 

（3）滾珠絲杠系統(tǒng)具有更高的精度，但大大降低了打印速度，但是與其他具有極小的反沖（50μm以下）系統(tǒng)相比，其精度更高，這種系統(tǒng)對(duì)于微流體和微系統(tǒng)的加工會(huì)更有吸引力。
 

您可以根據(jù)Z后產(chǎn)品所需的質(zhì)量選擇合適的系統(tǒng)。一些打印機(jī)結(jié)合了用于X和Y軸的螺栓皮帶和用于Z軸的滾珠絲杠。

微流體3D打印機(jī)：熱頭端和熱床（專為FDM打印機(jī)）
熱頭很重要，這是3D打印機(jī)的重要組件。熱頭是在合適的熔融溫度下加熱塑料，然后再沉積。擠出機(jī)的選擇是提高機(jī)器效率的關(guān)鍵。同樣，也有2種擠出機(jī)系統(tǒng)：一種是帶有螺紋噴嘴和水龍頭散熱器，另一種是帶孔噴嘴和散熱器的系統(tǒng)。后面一個(gè)系統(tǒng)會(huì)更有效地防止泄露。

如果材料加熱過多，那么將會(huì)得到粘稠的材料，其會(huì)泄露并擠壓擠出機(jī)。如果材料加熱不足，則長絲狀材料將無法通過噴嘴。

熱珠可較大程度地減少熱端和環(huán)境之間的溫度差，因此，它可以防止加熱的材料獲得過高的冷卻速率并自行回縮以產(chǎn)生稱為翹曲的現(xiàn)象。加熱塑料可使其保持在不會(huì)變形的溫度范圍內(nèi)。

微流體3D打印機(jī)：軟件 – 3D打印機(jī)的計(jì)算機(jī)界面
微流體3D打印機(jī)軟件通常分為兩部分：diyi部分允許您將對(duì)象放置在板上并選擇不同的參數(shù)如高度、填充、速度、圖形界面等；第二部分“hide”是切片機(jī)，該部分會(huì)對(duì)在您選擇的不同參數(shù)的任何切片高度上進(jìn)行切割，切片器將會(huì)創(chuàng)建100個(gè)切片。在每個(gè)切片中，它將分析“圖像”并分解為坐標(biāo)以及X軸和Y軸，因此，這是我們通過告訴電機(jī)將位置從另一個(gè)位置移動(dòng)來創(chuàng)建移動(dòng)的方式。這些指示在名為“gcode”的文件中列出，這也是您文件的擴(kuò)展名，例如：

G1 : Telling the printer to move                   F: for feedrate in mm/min

提高3D打印機(jī)精度的機(jī)械元件：步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是逐段地旋轉(zhuǎn)的，例如1.8°/step的電動(dòng)機(jī)需要200步（step）才能旋轉(zhuǎn)200×1.8°=360°，角度越小，獲得的精度就越高。電機(jī)還必須與系統(tǒng)耦合才能實(shí)現(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)，并與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器耦合。這個(gè)全局系統(tǒng)將定義移動(dòng)給定距離所需要的步驟。但是，每步的度數(shù)越小，您的全局系統(tǒng)將越精確：如果需要80步長移動(dòng)1mm，那么1步長移動(dòng)1/80=0.125mm或12.5μm，而如果需要320步長移動(dòng)1毫米，通過相同的計(jì)算，則1步長移動(dòng)3.13μm，這種精度是微流體系統(tǒng)必需的。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：提高精度的電子元件

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過內(nèi)插電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前功能并將其分段，從而提供虛擬步長和電子精度。這些虛擬步長乘以系統(tǒng)的機(jī)械步長，但是虛擬步長越高，扭矩越低。因此，需要在虛擬步長和扭矩之間做一個(gè)折衷。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器也可以控制電機(jī)的噪音。

風(fēng)扇：對(duì)獲得更好的3D打印效果很重要

通常，一是通過冷卻擠出機(jī)的散熱器主體，以防止溫度過高；二是在需要時(shí)冷卻部分（像橋接結(jié)構(gòu)一樣，建議使用高冷卻的方式）。

用戶操作的3D打印機(jī)界面

打印機(jī)界面可以使機(jī)器運(yùn)行、自動(dòng)化控制且易于使用。配備SD插槽后，您可以使用簡單操作的界面運(yùn)行任何已加載的程序，甚至可以在需要時(shí)調(diào)整某些參數(shù)。

電子電容傳感器

這種電容式傳感器可以做有趣的事，首先，它為diyi層提供了良好的擠出機(jī)高度，并允許測試平坦表面的不同點(diǎn)且創(chuàng)建表面的虛擬法線向量，并將每個(gè)點(diǎn)乘以該法線以便在移動(dòng)和定位時(shí)獲得更好的精度！

電阻抗檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生命科學(xué)、食品安全、疾病診斷等領(lǐng)域。在微流控領(lǐng)域，電阻抗檢測技術(shù)可應(yīng)用于單細(xì)胞或微液滴的檢測與分析、生物組織分析、細(xì)胞計(jì)數(shù)、細(xì)胞分選、交流介電電泳（DEP）和生物阻抗測量等。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的微流控電阻抗檢測系統(tǒng)在一定程度上可以看成是由多個(gè)不同功能的模塊經(jīng)過有效的有機(jī)組合而成的。該檢測系統(tǒng)主要包括五個(gè)模塊：微流控電阻抗檢測芯片、微流控芯片進(jìn)樣泵、流量計(jì)或壓力計(jì)、電阻抗分析儀/鎖相放大器、光學(xué)顯微鏡等，如下圖所示。

對(duì)于以上四個(gè)模塊的組合，我們僅僅給出一個(gè)微流控電阻抗檢測系統(tǒng)的連接示例，如下圖1所示。對(duì)于該系統(tǒng)中所用到的設(shè)備，可以使用其他的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行代替，但是總體的連接方式是相同的。MFCS或者OB1Mk3驅(qū)動(dòng)泵把儲(chǔ)液池內(nèi)的液體推入到微流控芯片的通道內(nèi)。MFLI或者HF2LI產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)不同頻率的正弦電壓信號(hào)，施加在電阻抗芯片的激勵(lì)電極上，敏感電極測量到的電流信號(hào)經(jīng)過跨阻放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。放大后的電壓信號(hào)輸送到MFLI或者HF2LI鎖相放大器。MFLI或者HF2LI鎖相放大器和MFCS或者OB1mk3驅(qū)動(dòng)泵的參數(shù)調(diào)節(jié)和控制都在PC電腦上的LabOne軟件和MAESFLO軟件或者Elveflow Smart Interface上進(jìn)行設(shè)置。

圖1 微流控動(dòng)態(tài)電阻抗檢測系統(tǒng)連接圖

HF2儀器與電阻抗芯片連接的實(shí)物圖

如下以瑞士蘇黎世儀器的MFLI鎖相放大器連接電阻抗芯片為例介紹微流控動(dòng)態(tài)電阻抗檢測的原理。

MFLI鎖相放大器與電阻抗芯片的連接圖

動(dòng)態(tài)電阻抗檢測可用于測量微流體芯片通道內(nèi)單個(gè)粒子的介電特性。以兩對(duì)共面電極的微流控電阻抗芯片為例介紹動(dòng)態(tài)電阻抗檢測的過程，芯片結(jié)構(gòu)示意圖[8]如上圖所示。在微流體芯片通道內(nèi)加工兩對(duì)金屬微電極，一對(duì)微電極作為測量電極，用于測量介質(zhì)溶液中單個(gè)粒子經(jīng)過時(shí)的電流變化，而另一對(duì)電極作為參考電極，僅用于測量介質(zhì)溶液的電流。當(dāng)MFLI鎖相放大器對(duì)兩對(duì)電極同時(shí)施加一定幅值且具有一個(gè)頻率或多個(gè)不同頻率的交流信號(hào)時(shí)，微流體芯片通道內(nèi)兩對(duì)電極之間會(huì)產(chǎn)生電場。當(dāng)粒子經(jīng)過電極對(duì)之間的間隙時(shí)，電場會(huì)受到擾動(dòng)而產(chǎn)生電流的變化，電流變化的幅度取決于粒子的尺寸、形狀和介電性質(zhì)。變化的電流經(jīng)跨阻差分放大器進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為差分電壓信號(hào)。MFLI鎖相放大器同時(shí)解調(diào)一個(gè)頻率或多個(gè)不同頻率的差分電壓信號(hào)，從而給出每一個(gè)頻率信號(hào)的同相分量和正交分量或者幅值和相位值，同時(shí)抵制所有其他頻率信號(hào)的干擾。所測量的電阻抗的變化可在本地電腦上的LabOne軟件里的Plotter進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察且測量的數(shù)據(jù)可直接保存在本地電腦，方便后續(xù)使用MATLAB、Python等軟件進(jìn)行分析處理。

LabOne軟件顯示動(dòng)態(tài)差分測量的顯示曲線

帶有共面金屬電極的PDMS芯片中產(chǎn)生油包水微液滴，石蠟油為連續(xù)相（含span80表面活性劑），經(jīng)過濾后的去離子水為分散相。產(chǎn)生的微液滴如下視頻所示。

MFLI鎖相放大器動(dòng)態(tài)差分輸入檢測PDMS芯片中產(chǎn)生的微液滴視頻如下所示。

利用微流控技術(shù)在微流控芯片通道內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)的細(xì)胞培養(yǎng)對(duì)很多生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的工作人員來講是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)，通過該技術(shù)可以大規(guī)模的降低實(shí)驗(yàn)耗材消耗，提高實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化效率，模擬實(shí)際生物環(huán)境下的細(xì)胞生長行為等。在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中，活細(xì)胞成像的細(xì)胞培養(yǎng)都具有較大的應(yīng)用前途，那么現(xiàn)在有沒有一款或一套合適的儀器來做細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)呢？答案是有的，Elveflow微流控灌注套裝（Perfusion Pack）結(jié)合ALine公司的Microslides便可以完成細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

Elveflow微流控OB1壓力控制器的詳細(xì)介紹：Elveflow微流控壓力泵/壓力控制器OB1（四通道）簡要介紹

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