3D打印无驱微流控芯片及其应用研究

摘要

随着微流控芯片技术取得了巨大的发展和进步，其在生命科学、化学检测和环境卫生监测等领域的应用越来越广泛。新型的无泵驱动微流控芯片所具备的样品处理、成分鉴定和分析检测的集成解决方案在临床（point-of-care，POC）医疗诊断系统中得到了充分的应用，对推动金世界尤其是发展中国家卫生保健事业的发展有着十分重要的意义。
　　本论文在深入研究微流控芯片技术相关理论的基础上，利用三维打印技术，提出了两种无泵驱动微流控芯片的制造方法，并针对这两种方法进行了相关的研究以及应用实验等工作。论文开展的具体工作如下：
　　首先，阐述了研究工作的背景及意义，详细综述了三维打印技术和微流控芯片技术的国内外研究现状。并在此基础上，简要概述了基于三维打印技术制造微流控芯片的现状以及理论基础。针对POC医疗诊断系统成本低、设备简易、检验结果准确的需求，选择结合三维打印制造技术开发新型微流控芯片制造方法。
　　其次，论文详细论述了基于光固化和熔融沉积两种三维打印制造技术制造微流控芯片的方法。论文详细介绍了基于LCD(liquid crystal display)面成型光固化三维打印平台的搭建过程和简要概述了Delta型熔融沉积三维打印平台的结构原理。同时论文分析了影响两种微流控芯片制造效果的加工工艺参数，并针对曝光时间、流道深度、粉末浓度等工艺参数进行了深入的实验研究。
　　最后，论文对本文中所述两种微流控芯片开展了多项应用实验。对两种微流控芯片分别进行亚硝酸根离子浓度检测实验来验证芯片在化学检测中的应用效果。基于纤维素粉末驱动微流控芯片进行了Y型的T-sensor制造和流体形态分析实验，验证该芯片的流体操控能力。基于纤维素粉末驱动徼流控芯片进行了小鼠成纤维细胞培养实验，验证该芯片在细胞培养以及生物实验方面的能力。实验结果均表明本文所提出的两种微流控芯片在各领域有着出色的表现，且都具备制造方法简单，制造成本低等优点，非常符合POC医疗诊断系统的要求。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 三维打印技术的研究现状

1．2．1 三维打印技术的基本原理及其分类

1．2．2 三维打印技术的研究进展

1．2．3 三维打印技术的发展前景

1．3 微流控芯片的研究现状

1．3．1 传统微流控芯片的研究进展

1．3．2 纸基微流控芯片的研究进展

1．3．3 基于三维打印技术的微流控芯片开发进展

1．3．4 微流控芯片检测技术简介

1．4 论文框架及主要研究内容

1．4．1 论文总体框架

1．4．2 论文主要研究内容

第二章 基于光固化三维打印的纸基微流控芯片制造

2．1 面成型光固化三维打印平台设计

2．1．1 三维打印平台设计原理

2．1．2 三维打印平台结构设计方案

2．1．3 三维打印平台控制方案

2．2 纸基微流控芯片制造实验

2．2．1 纸基微流控芯片制造原理

2．2．2 纸基微流控芯片制造仪器及材料

2．2．3 纸基微流控芯片制造过程

2．2．4 纸基微流控芯片图案化效果

2．3 纸基微流控芯片制造工艺参数研究

2．3．1 纸基微流控芯片反面曝光作用

2．3．2 纸基微流控芯片正反面曝光时间优化

2．3．3 纸基微流控芯片分辨率实验

2．4 本章小结

第三章 基于FDM三维打印的无驱微流控芯片制造

3．1 基于FDM三维打印机的微流控芯片基底设计及制作

3．1．1 微流控芯片基底设计原则

3．1．2 FDM三维打印机打印制造微流控芯片基底

3．1．3 微流控芯片基底的改性优化

3．2 纤维素粉末驱动微流控芯片制造实验

3．2．1 微流控芯片无泵驱动流道制造原理

3．2．2 微流控芯片制造实验器材及材料

3．2．3 微流控芯片制造流程

3．2．4 微流控芯片可调节延时实验

3．2．5 微流控芯片封装实验

3．3 纤维素粉末驱动微流控芯片制造工艺研究

3．3．1 纤维素粉浓度与流道质量研究

3．3．2 流道深度与流体流速研究

3．3．3 微流控芯片分辨率实验

3．4 本章小结

第四章 3D打印微流控芯片应用研究

4．1 亚硝酸根离子的定量分析实验

4．1．1 实验背景及原理

4．1．2 实验过程

4．1．3 实验结果与讨论

4．2 基于纤维素粉末驱动微流控芯片的T-Sellsor制造实验

4．2．1 T-sensor实验背景

4．2．2 T-sensor开发的理论基础

4．2．3 实验过程及结果分析

4．3 基于纤维素粉末驱动微流控芯片的细胞培养实验

4．3．1 基于微流控芯片细胞培养背景

4．3．2 基于微流控芯片细胞培养实验过程

4．3．3 实验结果及分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 课题展望

攻读硕士学位期间获得的研究成果

参考文献