微納3D打印：推動(dòng)光敏樹脂回收利用新突破

更新時(shí)間：2025-12-05

點(diǎn)擊次數(shù)：183

隨著3D打印技術(shù)在微流控芯片制造中展現(xiàn)出快速原型制造與復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型等優(yōu)勢(shì)，為生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)分析等領(lǐng)域注入了新的發(fā)展動(dòng)力。然而，光固化打印工藝所引發(fā)的高昂制造成本與樹脂材料嚴(yán)重浪費(fèi)問(wèn)題，也逐漸成為制約該技術(shù)在科研與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用與推廣的關(guān)鍵瓶頸。數(shù)據(jù)顯示，單次打印任務(wù)完成后，殘留樹脂的比例可高達(dá)約90%。這些殘留物內(nèi)含有的甲基丙烯酸酯類單體，不僅后續(xù)處理程序復(fù)雜、處置成本不菲，還可能潛藏環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。

近日，來(lái)自意大利卡塔尼亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)再生處理的光固化樹脂可重復(fù)使用三次以上，且制成的微流控器件光學(xué)性能幾乎無(wú)衰減。這一突破性發(fā)現(xiàn)為3D打印行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。該研究以“Micro?optofluidic Devices via Projection Micro?Stereolithography: Impact of Resin Reuse on Optical Sensing Performance"為題，發(fā)表于國(guó)際期刊《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套完整的樹脂再生技術(shù)，包括五個(gè)關(guān)鍵步驟：樹脂回收、初級(jí)過(guò)濾（100-200μm金屬網(wǎng)篩）、二級(jí)過(guò)濾（0.45-1μm PTFE膜真空過(guò)濾）、均勻混合（3000rpm/5min）和避光儲(chǔ)存。該流程能有效去除殘留樹脂中的雜質(zhì)和部分固化顆粒，確保再生樹脂的化學(xué)穩(wěn)定性。

圖1. 用于氣液段塞流檢測(cè)的Micro?optofluidic（MoF）設(shè)備工作原理。

實(shí)驗(yàn)采用三種樹脂批次：全新樹脂、一次再生樹脂和二次再生樹脂，分別用于制造三個(gè)相同的T型接頭微流控器件。這些微流控器件專為吸收式光學(xué)檢測(cè)設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch^®S140，精度：10μm）一體成型打印而成，無(wú)需額外組裝。

圖2. 通過(guò)PµSL技術(shù)制造的3D打印有機(jī)框架（MoF）器件（分別標(biāo)記為 Dev-1、Dev-2 和 Dev-3）。

通過(guò)傅里葉變換紅外衰減全反射光譜（FTIR-ATR）分析，研究人員發(fā)現(xiàn)再生樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)僅發(fā)生微小變化。在1635cm?1處（C=C伸縮振動(dòng)）和810cm?1處（C-H面外彎曲振動(dòng)）的吸收峰強(qiáng)度略有降低，表明甲基丙烯酸酯單體含量輕微減少。這種變化主要源于打印過(guò)程中的暗固化現(xiàn)象和微量光散射導(dǎo)致的預(yù)聚合，樹脂的整體化學(xué)結(jié)構(gòu)仍然保持穩(wěn)定。

圖3. 不同批次樹脂的四個(gè)不同象限Qki上沿1800-650 cm?1范圍收集的FTIR光譜比較：新鮮光固化樹脂（Dev-1，藍(lán)色曲線）；一次回收樹脂（Dev-2，淺藍(lán)色曲線）；二次回收樹脂（Dev-3，黃色曲線）。用1和2標(biāo)識(shí)的峰分別是1635 cm?1和810 cm?1。

光學(xué)性能是微流控器件的核心指標(biāo)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分光光度計(jì)測(cè)量器件在589nm波長(zhǎng)（鈉D線）的透光率，并利用專用回歸模型計(jì)算折射率。實(shí)驗(yàn)在每個(gè)器件的四個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行五次重復(fù)測(cè)量，確保數(shù)據(jù)可靠性。

圖4. 針對(duì)每個(gè)考慮的k-th微光流控器件（k=1,2,3），所研究象限Qki（i=1,…,4）的空間布局。

結(jié)果顯示，三種樹脂制成的器件折射率分別為1.7044（全新樹脂）、1.7043（一次再生）和1.7042（二次再生），差異僅0.012%。雙因素方差分析表明，樹脂重復(fù)使用次數(shù)和測(cè)量區(qū)域?qū)φ凵渎示鶡o(wú)顯著影響（p值>0.05）。

圖5. 獲取3D打印樹脂估計(jì)折射率值(?)的流程圖。

圖6. 在四個(gè)不同象限Qki上獲取的透射光譜比較（n=1）：新鮮光固化樹脂（Dev-1，藍(lán)色曲線）；一次回收樹脂（Dev-2，淺藍(lán)色曲線）；二次回收樹脂（Dev-3，黃色曲線）。

在功能驗(yàn)證階段，研究人員搭建了氣-水彈狀流檢測(cè)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）方法系統(tǒng)評(píng)估器件性能。實(shí)驗(yàn)考察了激光功率（1mW和5mW）、流速（0.1-0.3mL/min）和樹脂類型三個(gè)因素對(duì)光學(xué)檢測(cè)能力的影響。

結(jié)果表明，所有器件均能清晰區(qū)分彈狀流中的氣相和液相，信號(hào)波形保持穩(wěn)定的方波特征。統(tǒng)計(jì)分析確認(rèn)，不同樹脂批次器件的檢測(cè)性能無(wú)顯著差異，證明再生樹脂達(dá)到微流控器件的功能需求。

圖7. 所研究響應(yīng)量?的三維效應(yīng)圖，柱狀高度代表各研究場(chǎng)景下響應(yīng)量的平均值，圓形標(biāo)記表示單獨(dú)收集的觀測(cè)值。

總結(jié)：這項(xiàng)研究證明了光固化樹脂回收再利用在微光流控器件制造中的可行性。通過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的性能評(píng)估，研究人員確認(rèn)即使經(jīng)過(guò)兩次回收，樹脂的光學(xué)性能仍保持穩(wěn)定，器件的光學(xué)檢測(cè)能力不受影響。這一成果不僅為3D打印行業(yè)提供了可持續(xù)發(fā)展的解決方案，也為微流控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷中的廣泛應(yīng)用鋪平了道路。在保證性能的前提下降低成本和環(huán)境影響的創(chuàng)新實(shí)踐，詮釋了綠色制造與精密工程的融合之道。