DOI: 10.1038/s41378-022-00439-2

现如今，3D微流体设备已成为分析化学、生物医学传感器和微尺度流体操作的强大平台。3D打印技术由于其结构制造的灵活性，在3D微流体制造领域引起了广泛关注。然而，悬浮结构的坍塌和牺牲材料的残留极大地限制了该技术的应用，特别是对于极窄通道的制造。在本文中，研究者提出了一种名为纳米纤维自支撑增材制造（NSCAM）策略，用于以多孔纳米纤维为支撑结构的集成3D微流控芯片制造，避免了牺牲层释放过程。在NSCAM工艺中，交替采用静电纺丝和电流体动力喷射（E-jet）写入。将通过静电纺丝形成的多孔聚酰亚胺纳米纤维垫巧妙地用作悬浮层的支撑结构和液体流动的渗透介质，而印刷在纳米纤维垫上的聚二甲基硅氧烷电流体动力喷射书写墨水（本文称为构建流体）可控地渗透进多孔垫。固化后，所得的构建液-纳米纤维复合材料形成3D通道壁。作为概念验证，制造了一种以窄通道和可移动膜为典型特征的微流体压力增益阀，并且印刷阀在45kPa的控制压力下完全关闭，快速动态响应为52.6 ms，证实了NSCAM的可行性。因此，NSCAM是一种用于制造包括可移动膜腔、柱腔和多孔支架在内的微型器件的有前途的技术，在3D微流体、软机器人驱动器或传感器以及器官芯片系统中显示出广泛的应用前景。

图1.3D微流体装置的NSCAM程序。a）通过交替静电纺丝和E-jet书写制造的3D微流体通道。b）用于3D微流体压力增益阀的NSCAM工艺。i：静电纺丝；ii：将E-jet墨水写在纳米纤维基材上，然后渗透进多孔膜；iii,iv：通过图案化CF渗透构建控制通道层；v,vi：通过控制CF垂直渗透距离来封闭通道；vii-xiv：输入通道层、连接层、输出通道和通道覆盖层的构建；xv-xvi：3D微流体压力增益阀的原理

图2.2D通道中含自支撑纳米纤维的微流体装置。a）具有单层、细长通道的微流控芯片；b）在通道层制备过程中，通过交替静电纺丝和E-jet写入分别进行1、2和3步创建微流体通道；c）含自支撑纳米纤维的微通道的流动连续性；d）含自支撑纳米纤维的微通道的垂直截面

图3.NSCAM工艺中的静电纺丝和E-jet写入特性。a）对于可打印（黑圈）与不可打印（白圈）组合而言，在不同E-jet书写电压和距离下的打印性能，b）三种不同打印电压和距离组合下的E-jet书写过程；c）通过静电纺丝时间控制纳米纤维膜的厚度；d）NSCAM和DIW打印线的堆叠高度；e,f）纳米纤维垫和玻璃基板上印刷线的线宽和形态

图4.不同打印温度下打印线的垂直截面。a）原始厚度为116μm的静电纺丝膜。b）在70℃的温度下，印刷构建流体完全渗透到多孔膜中。c）由于在80℃的印刷温度下快速固化，部分CF扩散。d）打印温度为90℃时，CF渗透深度较浅（尺度：25μm）

图5.印刷微流体阀的结构特征。a）微流体压力增益阀示意图；b）阀的设计尺寸；c,d）微流体增压阀的切换原理；e）印刷阀的垂直截面；f）控制通道中气压作用下的膜偏转

图6.印刷微流体阀的功能特性。a）印刷微流体装置在不同控制压力下的静态性能。b）印刷微流控装置对多次加载-卸载循环的动态响应