《Nature》子刊：3D打印實現2微米微流控通道，比頭發絲細30倍

導讀：美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）研究團隊在《npj Microsystems & Nanoengineering》（Nature旗下子刊）發表最新研究，開發出一種多分辨率3D打印技術，成功實現截面僅1.9×2.0微米的全封閉微流控通道——比人類頭發絲細約30倍，打印速度卻保持在實用水平。這一突破有望大幅加速芯片實驗室、生物醫學診斷和化學分析等領域的微型化進程。

2026年3月，南極熊獲悉，這項研究由加州大學洛杉磯分校Gong實驗室完成，論文題為《Fast multi-resolution 3D printing of microfluidics: enabling 2 μm channels and ultra-compact mixers》，發表于Nature旗下《npj Microsystems & Nanoengineering》期刊。

為什么微流控需要超高精度3D打印？

微流控芯片被譽為"芯片上的實驗室"，廣泛應用于快速病原體檢測、單細胞分析、藥物篩選等領域。然而，傳統微流控器件制造依賴光刻和軟刻蝕（PDMS翻模）工藝，流程復雜、成本高，且難以制造全封閉的三維微型通道。

3D打印（數字光處理立體光刻，DLP-SLA）雖然具備快速、低成本、三維成型等優勢，但長期受制于一個根本性矛盾：分辨率越高，打印面積越小；打印越快，精度越低。現有商業化DLP 3D打印機的微流控通道最小尺寸通常在20微米量級，距離實際應用需求仍有較大差距。

雙光學引擎：一臺打印機，兩套分辨率

UCLA團隊的解決方案是研發一套"雙光學引擎"多分辨率DLP 3D打印系統，核心創新在于：

• 超高分辨率光學引擎（VHROE）：像素間距僅0.75微米，使用365nm紫外LED，專門負責打印微米級精細結構

• 主光學引擎（MOE）：像素間距15微米，使用405nm紫外LED，打印面積達38.9mm×24.3mm，負責快速構建大面積主體結構

兩套引擎安裝在同一XY移動平臺上，在同一次打印任務中協同工作：需要精細特征的地方交給VHROE，大塊結構則由MOE完成，從而在速度與精度之間取得最佳平衡。

樹脂配方是關鍵：在Z軸方向也實現多分辨率

僅靠雙光學引擎，只能在XY平面實現多分辨率。研究團隊還專門配制了一種含有兩種紫外吸收劑（NPS和avobenzone）的光固化樹脂，使其對兩種不同波長的光具有截然不同的穿透深度：

• 365nm光（VHROE）：樹脂穿透深度僅2微米，實現極薄的Z向分層（1.5微米/層）

• 405nm光（MOE）：樹脂穿透深度達20微米，對應15微米厚分層

這樣，Z軸方向也實現了真正的多分辨率打印——精細區域用薄層累積，大結構用厚層快速堆疊。

實驗成果：2微米通道、僅17納升的超緊湊混合器

研究團隊通過一系列實驗驗證了該系統的實際性能：

最小封閉通道：截面1.9×2.0微米，比團隊2017年前作（18×20微米）通道截面積縮小了100倍，刷新DLP-SLA打印微流控通道的世界紀錄

生物籠（Biocage）：3D打印高度900微米、內徑300微米的生物籠結構，籠壁孔徑7微米，可用于細胞培養與篩選

三周期極小曲面（TPMS）：在150×150微米截面的封閉通道內嵌入孔徑7微米的金剛石晶格TPMS結構，展示了極致的三維復雜度

超緊湊微流控混合器：打印體積僅0.017mm3（17納升），打印時間21分鐘，是目前已報道的最緊湊DLP打印微流控混合器之一

微泵與主動混合：更進一步的流控能力

除被動結構外，研究團隊還展示了主動微泵的制造。他們制造了由兩個膜式閥門和一個位移腔組成的蠕動泵，并測試了三種不同的泵送時序方案。優化后的四相泵送循環可達到更高的平均流量，為芯片實驗室系統中的精確流體控制提供了基礎。

在被動混合測試中，團隊通過CFD仿真和實驗驗證，設計出一款超緊湊的三維螺旋混合器，僅需極短的通道長度即可實現充分混合——這正是多分辨率3D打印在Z軸方向的獨特優勢所在。

南極熊點評

這項研究的意義不僅在于打破了DLP-SLA的分辨率極限，更重要的是它在不犧牲打印速度的前提下做到了這一點。一臺21分鐘打出17納升超緊湊混合器的打印機，與傳統光刻工藝相比，制造周期從幾天縮短到幾十分鐘，成本也大幅降低。

隨著該技術的成熟，我們有望看到可定制的即用型微流控芯片走向實驗室普及，甚至進入臨床診斷場景——這對3D打印在生命科學領域的滲透將是一次重要推動。

論文信息

標題：Fast multi-resolution 3D printing of microfluidics: enabling 2 μm channels and ultra-compact mixers

期刊：npj Microsystems & Nanoengineering（Nature旗下）

DOI：10.1038/s41378-026-01194-4

來源：Nature / npj Microsystems & Nanoengineering