在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，三維（3D）微結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)已經(jīng)成為至關(guān)重要的探索方向之一，為設(shè)計(jì)和制造具有特別功能的微器件提供了巨大潛力。三維微結(jié)構(gòu)主要分為兩部分：(i)不同形狀的三維主體結(jié)構(gòu)，（ii）主體結(jié)構(gòu)上的各種腔體結(jié)構(gòu)（包括孔、槽、通道等）。盡管3D打印技術(shù)對(duì)于復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模個(gè)性化定制，然而在腔體結(jié)構(gòu)的精密制造方面，其打印腔體的精度仍存在一定的局限性。如果直接采用3D打印技術(shù)制備高精度通道結(jié)構(gòu)，樹(shù)脂的殘留會(huì)導(dǎo)致腔體結(jié)構(gòu)的堵塞，所以?xún)H使用3D打印技術(shù)難以達(dá)到通道制造所需的高精度要求。因此，迫切需要新的加工方法彌補(bǔ)3D打印技術(shù)的不足。解決這一制造缺陷，對(duì)于提高微器件的制造精度至關(guān)重要。

為此，北京理工大學(xué)姜瀾院士、韓偉娜研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種新型制造高精度三維微結(jié)構(gòu)的加工方法（圖1）。該團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻（PµSL）3D打印技術(shù)和飛秒激光貝塞爾光束制孔相結(jié)合的方法創(chuàng)建了具有高度定制、精確結(jié)構(gòu)（包括尺寸精度和深徑比）和高效加工的三維結(jié)構(gòu)。并將該技術(shù)成功應(yīng)用于定制微針的生產(chǎn)，包括斜尖微針和多孔微針，證明了該技術(shù)具有廣泛、高效的微孔加工能力，峰值制孔速度可達(dá)每秒20萬(wàn)個(gè)孔。這項(xiàng)技術(shù)不僅為制造具有微細(xì)腔體結(jié)構(gòu)的三維器件提供了創(chuàng)新方法，而且具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。

該研究成果以題為“Fabrication of customized microneedle with high 3D capability and high structural precision” 在加工制造領(lǐng)域的學(xué)術(shù)期刊《Additive Manufacturing》上發(fā)表。北京理工大學(xué)激光微納制造研究所碩士生陳朝倫和課題組助理實(shí)驗(yàn)師王智為共同第一作者，韓偉娜研究員為通訊作者。

圖1.面投影微立體光刻與飛秒激光貝塞爾光束制孔相結(jié)合的新型制造方法原理圖

研究團(tuán)隊(duì)選用摩方精密BIO（生物兼容性）樹(shù)脂作為打印材料，并使用microArch® S230（精度：2μm）3D打印設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他們研究了3D打印樣品的光學(xué)透明度對(duì)飛秒激光貝塞爾光束制孔能力的影響，并探究了不同切片方向?qū)︼w秒激光貝塞爾制孔成孔能力的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，橫向切片可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的微孔，并且通過(guò)加工排孔后沿孔裂片的方式，證明了該加工方法能夠在三維打印實(shí)體中產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的高深徑比微孔結(jié)構(gòu)。

圖2.模型切片方向?qū)Υ蛴?shí)體光學(xué)透明度的影響

圖3.飛秒激光貝塞爾光束在兩種切片方向下加工微孔的結(jié)果

由于錐透鏡的制造誤差導(dǎo)致了貝塞爾光束的畸變，因此在利用貝塞爾光束軸向的上半段加工微孔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旁瓣現(xiàn)象（圖4）。雖然使用貝塞爾光束的軸向下半段加工可以避免被加工微孔中出現(xiàn)旁瓣，然而，此舉將會(huì)導(dǎo)致貝塞爾光束能量的大量損失，并對(duì)加工微孔的深度造成了限制。采用單脈沖處理的無(wú)側(cè)葉微孔長(zhǎng)度被限制在550 μm以?xún)?nèi)，顯然未能充分利用貝塞爾光束的潛力。為此研究團(tuán)隊(duì)采用雙脈沖貝塞爾光束技術(shù)，通過(guò)瞬態(tài)調(diào)控局部電子狀態(tài)來(lái)消除旁瓣（圖5）。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖照射材料時(shí)產(chǎn)生了大量的自由電子，這些自由電子改變了材料的瞬時(shí)局部特性，如反射率和透射率，從而抑制了材料對(duì)第二次脈沖能量的吸收，導(dǎo)致深度下降。旁瓣相對(duì)于主瓣的影響區(qū)域相對(duì)較短，導(dǎo)致旁瓣隨著加工深度的減小而逐漸衰減。利用該方法加工而成的無(wú)旁瓣微孔長(zhǎng)度均高于單脈沖條件下無(wú)旁瓣微孔的最大加工深度，且均超過(guò)800 μm，已接近當(dāng)前激光條件下的加工深度極限。

圖4.飛秒激光貝塞爾光束成孔旁瓣現(xiàn)象

圖5.雙脈沖優(yōu)化貝塞爾光束成孔

微針因其體積小巧、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在其表面上進(jìn)行微孔加工時(shí)，相較于大面積的平面樣品的加工工程，兩者存在顯著差異。首先，微針的打印層厚度的差異將直接導(dǎo)致所形成的微孔尺寸出現(xiàn)相應(yīng)的變化。（圖6）。由于不同層厚微針的固化程度的不同，導(dǎo)致不同層厚的微針材料模量不同，使得在相同的激光條件下，較厚打印層的微針能夠形成更大直徑的空腔。但打印層更厚的微針由于在打印過(guò)程中更易變形，影響了微針的透光性，進(jìn)而減小了微孔的深度。其次，微針邊長(zhǎng)不同及同一微針上的不同位置加工出的微孔深度也有所不同（圖7）。這是由于在打印過(guò)程中不同位置的收縮率差異會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這些內(nèi)應(yīng)力主要集中在打印部件的邊緣，并隨著離邊緣距離的增加而減小。由于微針尺寸小，邊緣和中心之間的距離很短，整個(gè)柱受到內(nèi)應(yīng)力的影響很大，從而限制了微孔深度，尤其是邊緣附近的微孔深度更小。隨著微針針尖直徑的減小，加工位置與邊緣之間的距離減小，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增大，進(jìn)一步降低了微孔深度，甚至可能無(wú)法形成微孔。為克服這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了兩段式制孔技術(shù)（圖8）。該方法被證明適用于各種異形微針上的微孔加工。

圖6.打印層厚對(duì)貝塞爾光束成孔的影響

圖7.不同微針邊長(zhǎng)及微針上不同加工位置的貝塞爾光束成孔

圖8.異形微針上微孔的兩階段制孔技術(shù)

鑒于單個(gè)微針體積小，其載藥和提取能力自然受限。因此，為充分發(fā)揮微針功效，通常以微針陣列的形式使用，以實(shí)現(xiàn)效率maximum。研究團(tuán)隊(duì)利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)每個(gè)微針進(jìn)行精確定位，確保貝塞爾光束能夠精確地對(duì)準(zhǔn)每個(gè)微針的頂端中心，從而形成均勻且形狀規(guī)則的微孔。在確保微孔加工質(zhì)量的同時(shí)，貝塞爾光束的單脈沖穿孔機(jī)制還提供了高效的加工速度，實(shí)現(xiàn)了每秒高達(dá)20萬(wàn)個(gè)孔的峰值制孔速度。

圖9.空心微針陣列的制備及大幅面微孔加工能力展示

綜上所述，利用PμSL技術(shù)和飛秒激光貝塞爾光束相結(jié)合的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在微針上高深徑比微孔的制備。該方法證明了實(shí)現(xiàn)直徑約1μm的微孔的可行性，并且具有較高的制孔效率，尤其對(duì)于提取細(xì)胞外囊泡和小分子藥物遞送等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。這項(xiàng)技術(shù)有望通過(guò)其多功能性來(lái)創(chuàng)建具有內(nèi)部微通道的復(fù)雜三維器件，從而增強(qiáng)疾病的診斷和治療。

*已獲團(tuán)隊(duì)授權(quán)