三层 SU-8 软光刻
同轴聚焦核壳微胶囊芯片加工方案

一篇 JoVE 文献，撬动一套桌面级微流控加工平台

2021 年，Mayo Clinic 生理与生物医学工程系团队在 Journal of Visualized Experiments 发表论文（e62944），报道了一种利用同轴聚焦微流控芯片，将人多能干细胞（hPSC）单细胞悬液 封装进直径 400 μm 的核壳水凝胶微胶囊，48 小时内自组装为干细胞球。

这套工艺的核心难点不在生物实验本身，而在芯片加工——芯片需要三层不同高度的流道： 芯层 120 μm、壳层 200 μm、油相通道 300 μm，三层流道在同一个喷嘴处同轴汇聚， 最终通过两片 PDMS 对准键合形成三维结构。

文献原文：
Gwon K., Hong H.J., Gonzalez-Suarez A.M., et al. Microfluidic Fabrication of Core-Shell Microcapsules carrying Human Pluripotent Stem Cell Spheroids. J. Vis. Exp. 2021, 176, e62944. DOI: 10.3791/62944

四入口同轴聚焦：三层高度差流道

芯片包含四个入口（core / shell / shielding oil / crosslinker oil），经过一段蛇形通道汇入收集管。 芯层、壳层、油相通道高度分别为 120 μm、200 μm、300 μm，在喷嘴处形成同心环形流路。 文献还配套设计了一片前置解离芯片（单层 SU-8，50 μm 高度）， 用三角形柱阵列打散 hPSC 细胞团块，将胶囊细胞占有率从 57% 提升至 90% 以上。

三层流道高度参数

从 CAD 版图到 PDMS 芯片：三段式制造链路

桌面级光刻工作站，普通实验室即可部署

顶旭 SU-8 模具加工平台集成桌面紫外光刻机、高精度匀胶机、数显热板、千分测厚规与三目检测显微镜。 相比传统洁净间光刻产线，整套设备占地面积小、环境要求低， 让研究人员在自己的实验室里完成 10–350 μm 厚度范围的 SU-8 母模制备。

桌面紫外光刻机

365 nm LED · 4 英寸
分辨率 2 μm · 均匀性 ≥90%

高精度匀胶机

50–10000 rpm 两档
转速稳定性 ±1%

数显热板

0–300 ℃ · 温控 ±1℃
200×200 mm 台面

千分测厚规

量程 0–10 mm
精度 1 μm

从配比、浇筑到打孔、键合的完整工作站

PDMS 芯片加工平台覆盖电子秤、真空脱泡器、PDMS 浇筑器、恒温烘箱、台式打孔器、 PDMS 切割器、DZ-100 对准平台与氧等离子键合机， 完成从液态 PDMS 到多层不可逆键合芯片的全部工序。

电子秤

量程 0.01–1000 g
精度 0.01 g

真空脱泡器

PC 材质 · Φ230 mm
硅胶 O 圈高真空

PDMS 浇筑器

铝合金 · 真空吸附
适配 4 英寸模具

恒温烘箱

10–300 ℃
温度波动 ±0.2 ℃

台式打孔器

针头内径 0.41–9.0 mm
孔深 0–20 mm

台式切割器

100×18×0.35 mm 刀片
切面垂直光滑

DZ-100 对准平台

XYZ 三轴 + 旋转
对准精度 ±2 μm

氧等离子键合机

20.0 MHz 射频
石英腔体 10–30 Pa

±2 μm 精密对准 + 等离子不可逆键合

三层高度差流道能否在喷嘴处精确同轴汇聚，取决于两片 PDMS 翻模后的对准精度。 DZ-100 对准平台融合 XYZ 三轴位移、旋转功能与 CCD 可视化成像， 在显微镜下完成 PDMS/PDMS、PDMS/玻璃、PDMS/硅的多层结构对位，对准精度可达 ±2 μm。

配合氧等离子键合机（20.0 MHz 射频，石英腔体，10–30 Pa 真空）， PDMS 表面羟基化后与另一层 PDMS 形成不可逆共价键合， 80℃ 长时间烘烤后表面恢复疏水，适配水-油两相微胶囊生成实验。

芯片上机验证：400 μm 核壳微胶囊稳定生成

封装后的 hPSC 在 48 小时内自组装为干细胞球，胶囊在搅拌生物反应器中可承受剪切力保护细胞； 水凝胶壳层可负载生长因子，实现诱导分化信号的局部持续释放。

平台核心加工指标

一套平台，覆盖多高度微流控芯片研发

同平台可复现：双层液滴芯片、阶梯高度芯片、COC / 亚克力键合芯片。 从版图设计到成品芯片，普通实验室数周即可完成；配套工艺包、掩膜设计支持与现场培训。