供稿人：陳衍龍、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-12-31
三維（3D）微結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)已經(jīng)成為至關(guān)重要的探索方向之一，為設(shè)計和制造具有獨特功能的微器件提供了巨大潛力。三維微結(jié)構(gòu)主要包括不同形狀的三維主體結(jié)構(gòu)及各種腔體結(jié)構(gòu)（包括孔、槽、通道等）。如果直接采用3D打印技術(shù)制備高精度通道結(jié)構(gòu)，樹脂的殘留會導(dǎo)致腔體結(jié)構(gòu)的堵塞，所以僅使用3D打印技術(shù)難以達(dá)到通道制造所需的高精度要求。
因此，北京理工大學(xué)的Chen等[1]將投影微立體光固化成型技術(shù)（PμSL）與飛秒（fs）激光貝塞爾光束鉆孔相結(jié)合，如圖1所示，創(chuàng)建了具有高度定制、精確結(jié)構(gòu)（包括尺寸精度和深徑比）和高效加工的三維結(jié)構(gòu)，并將此應(yīng)用于生產(chǎn)定制微針。
圖1 面投影微立體光刻與飛秒激光貝塞爾光束制孔相結(jié)合的實驗系統(tǒng)示意圖
該團隊研究了飛秒激光貝塞爾光束在PμSL成型樣品上的微孔加工過程，并探究了不同切片方向?qū)︼w秒激光貝塞爾制孔成孔能力的影響，如圖2所示。實驗結(jié)果表明，橫向切片可以實現(xiàn)穩(wěn)定的微孔，并且通過加工排孔后沿孔裂片的方式，證明了該加工方法能夠在三維打印實體中產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的高深徑比微孔結(jié)構(gòu)。
圖2 飛秒激光貝塞爾光束在兩個切片表面下處理的結(jié)果
微針因其體積小巧、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對微孔鉆孔具有極大影響，研究團隊提出了空心微針的解決方案以解決深度限制，并成功應(yīng)用于各種定制微針的制造。此外，還引入了一種兩階段鉆孔方法，可在微針上高效地加工微孔，展示精確的定位和圓度。鑒于單個微針體積小，其載藥和提取能力自然受限。因此，為充分發(fā)揮微針功效，通常以微針陣列的形式使用，以實現(xiàn)效率最大化。研究團隊利用圖像識別技術(shù)對每個微針進(jìn)行精確定位，確保貝塞爾光束能夠精確地對準(zhǔn)每個微針的尖端中心，從而形成均勻且形狀規(guī)則的微孔。在確保微孔加工質(zhì)量的同時，貝塞爾光束的單脈沖穿孔機制還提供了高效的加工速度，實現(xiàn)了每秒高達(dá)20萬個孔的峰值制孔速度，如圖3所示。
圖3 空心微針陣列的制備及大幅面微孔加工能力展示
綜上所述，利用PμSL技術(shù)和飛秒激光貝塞爾光束相結(jié)合的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在微針上高深徑比微孔的制備。該方法證明了實現(xiàn)直徑約1μm的微孔的可行性，并且具有極高的制孔效率，尤其對于提取細(xì)胞外囊泡和小分子藥物遞送等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。這項技術(shù)有望通過其多功能性來創(chuàng)建具有內(nèi)部微通道的復(fù)雜三維器件，從而增強疾病的診斷和治療。