一、研究背景

微流控技術(shù)在生物醫(yī)療、診斷分析和藥物開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)微流控器件制造依賴多步光刻、軟光刻等復(fù)雜工藝，難以實(shí)現(xiàn)多功能材料的一體化集成。玻璃因其優(yōu)異的化學(xué)惰性、生物相容性和熱穩(wěn)定性，是理想的微流控結(jié)構(gòu)材料，但其高加工溫度（>1000°C）嚴(yán)重限制了與其他功能材料的共集成。

磷酸鹽玻璃具有較低的玻璃轉(zhuǎn)變溫度（Tg < 500°C），但傳統(tǒng)磷酸鹽玻璃在水環(huán)境中的化學(xué)穩(wěn)定性差，限制了其在微流控領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來(lái)，通過(guò)引入金屬氧化物（如Fe?O?、ZnO等）可顯著提高磷酸鹽玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性。

二、研究?jī)?nèi)容

2.1 玻璃成分設(shè)計(jì)與優(yōu)化

本研究設(shè)計(jì)了一種新型低溫磷酸鹽玻璃體系，基礎(chǔ)組成為：45P?O?-35ZnO-20Na?O（摩爾百分比），并添加10 wt% Fe?O?作為穩(wěn)定劑。該玻璃具有以下特性：

•  低玻璃轉(zhuǎn)變溫度：Tg = 412°C

•  高化學(xué)穩(wěn)定性：在25°C下溶解速率LogDR = -8.47 g·cm?2·min?1

•  良好熱膨脹匹配：熱膨脹系數(shù)為11.1×10?? °C?1

玻璃成分與相關(guān)性能：(a) 本項(xiàng)目制備玻璃與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性對(duì)比；(b) Fe?O?和Na?O/CaO對(duì)Tg的影響；(c) Fe?O?對(duì)P離子浸出量的影響；(d) PN-10樣品的XRD圖譜；(e) O1s的XPS分峰譜圖；(f) DSC曲線和熱膨脹曲線；(g) 離子電導(dǎo)率的Arrhenius圖

2.2 可打印墨水制備

將合成玻璃粉碎過(guò)篩至<25 μm，與4 wt%甲基纖維素（MC）水溶液按7:3質(zhì)量比混合，制備成溫度敏感型墨水。該墨水具有以下特性：

•  剪切變稀行為：粘度隨剪切速率增加而降低，便于擠出

•  溫度敏感性：在40°C以上粘度急劇增加，實(shí)現(xiàn)形狀保持

•  室溫打?。?/span>可在60°C熱床上實(shí)現(xiàn)高精度結(jié)構(gòu)打印

墨水配方及其性質(zhì)：(a) 玻璃粉末的粒徑分布和SEM圖像（插圖）；(b) 漿料粘度隨剪切速率的變化；(c) 漿料粘度隨溫度的變化，插圖為在加熱床上打印的支架結(jié)構(gòu)光學(xué)顯微鏡圖像

2.3 燒結(jié)工藝與結(jié)構(gòu)致密化

通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化燒結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)了高精度玻璃結(jié)構(gòu)的制造：

•  粘結(jié)劑去除：甲基纖維素在350°C以下完全分解，無(wú)殘留

•  對(duì)稱收縮：采用氧化鋁粉末床避免粘附，實(shí)現(xiàn)各向同性收縮

•  高致密度：燒結(jié)后孔隙率僅0.27%，滿足氣密性要求

•  結(jié)構(gòu)完整性：保持原始設(shè)計(jì)形狀，收縮率可預(yù)測(cè)

玻璃燒結(jié)工藝優(yōu)化：(a) 不同尺寸立方體的重量損失和燒結(jié)步驟；(b) 玻璃片和粉末床兩種燒結(jié)方式對(duì)比，展示對(duì)稱收縮行為；(c) STA結(jié)果和燒結(jié)后玻璃的XRD圖譜，證實(shí)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)保持

2.4 多材料3D打印與器件制造

開(kāi)發(fā)了基于Pluronic F-127的犧牲材料，可在200°C分解，低于玻璃燒結(jié)溫度（485°C）。實(shí)現(xiàn)了玻璃-金屬-聚合物三材料同步打?。?/p>

多材料打印器件演示，以玻璃為結(jié)構(gòu)材料、銀為電極、聚合物為犧牲材料，實(shí)現(xiàn)單步制造功能微流控器件

2.5 玻璃-金屬共打印驗(yàn)證

為驗(yàn)證玻璃與金屬材料的共打印兼容性，設(shè)計(jì)了測(cè)試結(jié)構(gòu)并評(píng)估界面結(jié)合：

•  界面結(jié)合：銀電極與玻璃結(jié)構(gòu)無(wú)分層或裂紋

•  導(dǎo)電通路：液態(tài)金屬（鎵銦共晶）填充通道形成閉合電路

•  功能驗(yàn)證：LED成功點(diǎn)亮，證明電路連通性良好

•  熱匹配：低溫?zé)Y(jié)減少熱應(yīng)力，避免界面失效

玻璃-金屬共打印測(cè)試：(a) 銀-玻璃測(cè)試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和燒結(jié)后界面共聚焦圖像及SEM-EDX分析；(b) 集成微流控通道、玻璃結(jié)構(gòu)和銀導(dǎo)體的設(shè)計(jì)，打印結(jié)構(gòu)燒結(jié)前后對(duì)比，以及通道填充導(dǎo)電液體實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)亮的閉合電路演示

2.6 犧牲材料與通道制造

基于Pluronic F-127開(kāi)發(fā)了犧牲材料，用于制造復(fù)雜三維通道結(jié)構(gòu)：

•  溫度響應(yīng)：室溫低粘度，打印后快速固化

•  低溫分解：200°C開(kāi)始分解，400°C完全去除

•  結(jié)構(gòu)支撐：有效防止大跨度通道塌陷

•  完整去除：燒結(jié)后無(wú)殘留，通道通暢

犧牲材料通道制造：(a) 犧牲墨水粘度隨溫度變化和TGA曲線，顯示200°C開(kāi)始分解；(b) 十字通道結(jié)構(gòu)評(píng)估，展示無(wú)犧牲材料時(shí)的塌陷問(wèn)題和有犧牲材料時(shí)的完整通道形成，X射線圖像證實(shí)通道通暢

2.7 功能驗(yàn)證

制造了包含微通道、混合器和集成電極的完整微流控器件：

•  通道尺寸：>500 μm，通過(guò)犧牲材料避免塌陷

•  電極集成：銀電極與玻璃結(jié)構(gòu)良好結(jié)合，無(wú)分層

•  混合功能：兩種不同電導(dǎo)率液體（368 μS和6 μS）實(shí)現(xiàn)有效混合

•  生物相容性：成纖維細(xì)胞培養(yǎng)驗(yàn)證無(wú)細(xì)胞毒性

(a) 單通道打印與測(cè)試，包括離子浸出分析和生物相容性測(cè)試；(b) 多功能微流控器件制造與評(píng)估，展示混合功能和電導(dǎo)率調(diào)節(jié)能力

三、研究結(jié)論

應(yīng)用前景：

•  智能玻璃系統(tǒng)：嵌入式電子器件的一體化制造

•  芯片實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)：生物醫(yī)療診斷設(shè)備的低成本制造

•  結(jié)構(gòu)電子學(xué)：三維互連的高密度封裝

•  定制化微流控：按需制造復(fù)雜三維通道結(jié)構(gòu)

四、論文信息