基于热空化效应的光学微执行器实现高粘度流体按需微滴沉积的新方法

　　为解决传统热喷墨打印和激光辅助打印技术在高粘度流体沉积中存在的热损伤、分辨率低及卫星液滴等问题，研究人员开发了一种基于连续波激光诱导热空化气泡的光学微执行器。该双腔室微流控装置实现了对水、丙二醇和SAE 40机油等多种流体的可控按需沉积（DoD），实验证明丙二醇在1≤ZOh≤10范围内具有最佳沉积均匀性。这项研究为生物墨水等热敏感材料的无损打印提供了新技术路径。

　　

在微纳制造和生物医学工程领域，精确沉积高粘度流体一直是个技术难题。传统压电喷墨打印虽能实现微米级精度，但仅限于低粘度流体（<10 mPa·s）；而激光诱导向前转移（LIFT）技术虽能处理高粘度材料，却存在热损伤风险和卫星液滴问题。特别是对于含有活细胞或蛋白质的生物墨水，热敏性要求沉积过程必须避免高温暴露。这些局限性严重制约了组织工程和药物筛选等领域的应用进展。

为突破这些技术瓶颈，来自墨西哥普埃布拉自治大学的研究团队在《Optics and Lasers in Engineering》上发表了一项创新研究，开发了一种基于热空化（thermocavitation）效应的光学微执行器。该装置采用双腔室设计，通过连续波激光在吸收性溶液中产生蒸汽微气泡，驱动高粘度流体实现按需滴落（Drop-on-Demand, DoD）沉积，成功解决了热敏感材料的无损打印难题。

研究人员采用多学科交叉的技术方法：首先通过3D打印制作具有双腔室结构的微流控器件，关键特征包括300μm直径的圆柱形喷嘴和2.5mm半径的锥形腔室；利用975nm连续波激光器通过显微物镜（f=8mm）聚焦至硝酸铜溶液产生热空化气泡；采用高速相机（Phantom VEO 710 L）以70,000帧/秒记录液滴动力学过程；通过无量纲数分析（雷诺数Re、韦伯数We、奥内佐格数Oh）评估流体行为；测试样品包含去离子水、丙二醇（56.2 mPa·s）和SAE 40机油（361 mPa·s）三种不同流变特性的流体。

4.1. 产生单个空化气泡的激光开启时间

实验发现激光开启时间随焦距位置（Z）增加而延长，当Z从203μm增加到508μm时，所需激光开启时间从约0.5ms增加至2.5ms。这表明更大的空化气泡需要更长的加热时间，这与空化时间τ的理论预测一致。

4.2. 去离子水实验

在Z=203μm时形成0.7mm长的小射流，500μs后收缩成液滴；而Z≥406μm时产生连续液柱撞击基底。水的低粘度（1.07 mPa·s）导致液滴呈现不规则形状并立即蒸发，且始终存在卫星液滴，沉积质量较差。

4.3. 丙二醇实验

丙二醇表现出优异的沉积特性，所有焦距位置均未出现卫星液滴。其高粘度（56.2 mPa·s）促使形成头部集中、尾部细长的液柱结构，撞击基底后融合成完整液滴。在200μm≤Z≤356μm范围内，初始速度稳定在2.78-0.96 m/s之间，沉积液滴半径从（309±8）μm到（475±15）μm可控，证实该范围为实现可重复沉积的最佳工作区间。

4.4. SAE 40机油实验

高粘度机油（361 mPa·s）仅在Z=457μm和508μm时才能被挤出，且沉积矩阵呈现不规则形状和尺寸。初始速度波动显著，表明系统无法为超高粘度流体提供稳定可重复的沉积。

研究团队通过绘制We-Re参数空间的印迹图（imprint map）进一步验证实验结果：丙二醇的Z_Oh=2.06位于最佳打印区域（1≤Z_Oh≤10），水的Z_Oh=146.27位于卫星液滴区域，而机油的Z_Oh=0.27则处于高粘度区域，与实验观察完全一致。

该研究的核心结论表明：热空化光学微执行器能够实现高粘度流体的可控沉积，其性能主要受空化气泡尺寸和流体粘度影响。双腔室设计通过乳胶膜隔离激光作用区与打印溶液，使热敏感材料如生物墨水或细胞悬液得以安全处理。虽然当前沉积分辨率（300-500μm）暂未达到传统LIFT技术的微米级精度，但该系统在处理高粘度材料方面展现出独特优势：无需机械泵、移动部件或高功率脉冲激光，大大降低了系统复杂性和成本。

这项技术的意义远超出实验室演示阶段。它为生物制造领域提供了新型解决方案：首先，热隔离设计保护了生物活性材料，为组织工程和器官打印开辟了新途径；其次，低功率连续波激光的使用显著降低了设备成本和安全性要求；最后，可扩展的多喷嘴设计潜力为高通量打印应用奠定了基础。未来通过优化空腔几何形状、热管理系统和自动对准机制，有望在生物医学工程、柔性电子和个性化医疗等领域实现重要应用突破。