隨著3D打印技術在微流控芯片制造中展現出快速原型制造與復雜結構成型等優勢，為生物醫學、化學分析等領域注入了新的發展動力。然而，光固化打印工藝所引發的高昂制造成本與樹脂材料嚴重浪費問題，也逐漸成為制約該技術在科研與產業領域實現規模化應用與推廣的關鍵瓶頸。數據顯示，單次打印任務完成后，殘留樹脂的比例可高達約90%。這些殘留物內含有的甲基丙烯酸酯類單體，不僅后續處理程序復雜、處置成本不菲，還可能潛藏環境風險等問題。近日，來自意大利卡塔尼亞大學的研究團隊通過系統實驗證明，經過再生處理的光固化樹脂可重復使用三次以上，且制成的微流控器件光學性能幾乎無衰減。這一突破性發現為3D打印行業實現可持續發展目標提供了關鍵技術支撐。該研究以“Micro?optofluidic Devices via Projection Micro?Stereolithography: Impact of Resin Reuse on Optical Sensing Performance"為題，發表于國際期刊《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。研究團隊開發了一套完整的樹脂再生技術，包括五個關鍵步驟：樹脂回收、初級過濾（100-200μm金屬網篩）、二級過濾（0.45-1μm PTFE膜真空過濾）、均勻混合（3000rpm/5min）和避光儲存。該流程能有效去除殘留樹脂中的雜質和部分固化顆粒，確保再生樹脂的化學穩定性。圖1. 用于氣液段塞流檢測的Micro?optofluidic（MoF）設備工作原理。
實驗采用三種樹脂批次：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檢測設計，研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（nanoArch® S140，精度：10μm）一體成型打印而成，無需額外組裝。
圖2. 通過PµSL技術制造的3D打印有機框架（MoF）器件（分別標記為 Dev-1、Dev-2 和 Dev-3）。
通過傅里葉變換紅外衰減全反射光譜（FTIR-ATR）分析，研究人員發現再生樹脂的化學結構僅發生微小變化。在1635cm?1處（C=C伸縮振動）和810cm?1處（C-H面外彎曲振動）的吸收峰強度略有降低，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程中的暗固化現象和微量光散射導致的預聚合，樹脂的整體化學結構仍然保持穩定。圖3. 不同批次樹脂的四個不同象限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，藍色曲線）；一次回收樹脂（Dev-2，淺藍色曲線）；二次回收樹脂（Dev-3，黃色曲線）。用1和2標識的峰分別是1635 cm?1和810 cm?1。光學性能是微流控器件的核心指標。研究團隊通過分光光度計測量器件在589nm波長（鈉D線）的透光率，并利用專用回歸模型計算折射率。實驗在每個器件的四個不同區域進行五次重復測量，確保數據可靠性。圖4. 針對每個考慮的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，樹脂重復使用次數和測量區域對折射率均無顯著影響（p值>0.05）。圖5. 獲取3D打印樹脂估計折射率值(?)的流程圖。圖6. 在四個不同象限Qki上獲取的透射光譜比較（n=1）：新鮮光固化樹脂（Dev-1，藍色曲線）；一次回收樹脂（Dev-2，淺藍色曲線）；二次回收樹脂（Dev-3，黃色曲線）。在功能驗證階段，研究人員搭建了氣-水彈狀流檢測平臺，通過實驗設計（DoE）方法系統評估器件性能。實驗考察了激光功率（1mW和5mW）、流速（0.1-0.3mL/min）和樹脂類型三個因素對光學檢測能力的影響。結果表明，所有器件均能清晰區分彈狀流中的氣相和液相，信號波形保持穩定的方波特征。統計分析確認，不同樹脂批次器件的檢測性能無顯著差異，證明再生樹脂達到微流控器件的功能需求。圖7. 所研究響應量?的三維效應圖，柱狀高度代表各研究場景下響應量的平均值，圓形標記表示單獨收集的觀測值。總結：這項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。通過嚴格的實驗設計和系統的性能評估，研究人員確認即使經過兩次回收，樹脂的光學性能仍保持穩定，器件的光學檢測能力不受影響。這一成果不僅為3D打印行業提供了可持續發展的解決方案，也為微流控技術在生物醫學研究和臨床診斷中的廣泛應用鋪平了道路。在保證性能的前提下降低成本和環境影響的創新實踐，詮釋了綠色制造與精密工程的融合之道。
更新時間：2025-12-05
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