Формирование топологических микрофлюидных элементов на поверхности металлической литейной формы с помощью лазерной микрообработки

Лавриненко В.В., Грибовская О.С., Васильева А.В., Куренков Р.А., Гагарина А.Ю., Тарасов С.А., Козодаев Д.А.

Ссылка для цитирования:

Лавриненко В.В., Грибовская О.С., Васильева А.В., Куренков Р.А., Гагарина А.Ю., Тарасов С.А., Козодаев Д.А. Исследование факторов формирования функциональных элементов микрофлюидной топологии на поверхности нержавеющей стали с помощью лазерной микрообработки // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 4. С. 91–100. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-91-100

Lavrinenko V.V., Gribovskaya O.S., Vasilieva A.V., Kurenkov R.A., Gagarina A.Y., Tarasov S.A., Kozodaev D.A. Study of factors for functional elements of microfluidic topology formation on stainless steel surface by use of laser microprocessing [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 4. P. 91–100. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-91-100

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Формирование микрофлюидной топологии на поверхности пластины из нержавеющей стали с помощью лазерной микрообработки под воздействием излучения ближнего инфракрасного диапазона. Системы, использующие микрофлюидные топологии, позволяют управлять потоками жидкостей в микронном масштабе, благодаря чему они стали практически незаменимыми в решении ряда исследовательских задач в медицине, химии и биологии. Цель работы — выявить режимы лазерного воздействия, которые позволяют формировать модельные микроканалы на поверхности нержавеющей стали, а также оценить параметр шероховатости поверхности Ra и факторы, влияющие на его изменение. Метод. В качестве основного метода применялась лазерная абляция. На первом этапе исследования были созданы экспериментальные канавки, выполняющие роль модельных микрофлюидных каналов. На втором этапе происходила лазерная обработка в режимах плавления стали, обеспечивающая уменьшение шероховатости поверхности. Основные результаты. Удалось получить на поверхности нержавеющей стали модельные микроканавки шириной 500 мкм. Экспериментальные данные позволили выявить как положительные, так и негативные факторы, которые существенно влияют на результат формирования топологических элементов. Были измерены параметры шероховатостей Ra обработанных на разных режимах лазерного воздействия поверхностях, проведены исследования поверхности на наличие дефектов микронного масштаба с помощью атомно-силовой микроскопии. Практическая значимость. Разрабатываемая технология лазерной микрообработки поверхности нержавеющей стали может способствовать развитию производства отечественных заготовок и пресс-форм для производства микрофлюидных чипов разнообразных конфигураций, что сделает эти устройства более доступными и менее дорогими по сравнению с современными импортными устройствами.

Ключевые слова:

микрофлюидика, микрофлюидная топология, лазерные технологии, лазерная обработка поверхности, лазерная полировка

Коды OCIS: 260.0260, 140.0140, 260.3060, 140.3510

Список источников:

1. Nunes J.K., Stone H.A. Introduction: Microfluidics // Chem. Rev. 2022. V. 122. № 7. P. 6919–6920. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00052
2. Булгакова А.А., Петрова Л.П. Микрофлюидика: современное состояние и перспективы развития // Молодежь и наука: шаг к успеху: сб. науч. ст. 5-й Всероссийской научной конф. перспективных разработок молодых ученых. Курск, 22–23 марта 2021 г. Курск: ЮЗГУ, 2021. Т. 4. С. 73–77.
Bulgakova A.A., Petrova L.P. Microfluidics: current state and development prospects [in Russian] // Youth and Science: A Step to Success: Proc. of the 5th AllRussian Scientific Conf. of Advanced Developments of Young Scientists, Kursk, Russia. March 22–23, 2021. Kursk: Southwest State University, 2021. V. 4. P. 73–77.
3. Battat S., Weitz D.A., Whitesides G.M. An outlook on microfluidics: the promise and the challenge // Lab Chip. 2022. V. 22. № 3. P. 530–536. https://doi.org/10.1039/d1lc00731a
4. Salimiyan Rizi K., Ashrafi A. Biosensors, mechatronics, & microfluidics for early detection & monitoring of microbial corrosion: A comprehensive critical review // Results Mater. 2023. V. 18. Art. 100402. https://doi.org/10.1016/j.rinma.2023.100402
5. Якимов А.С., Пряжников А.И., Пряжников М.И., Минаков А.В. Изготовление микрофлюидных чипов из полидиметилсилоксана с фрезерованной канализированной поверхностью для моделирования нефтеотдачи при заводнении пористой породы // Записки Горного института. 2022. Т. 253. С. 105–114. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.9
Yakimov A.S., Pryazhnikov A.I., Pryazhnikov M.I., Minakov A.V. Fabrication of polydimethylsiloxane microfluidic chips with milled channel surface for modeling oil recovery during porous rock flooding [in Russian] // Zapiski Gornogo Instituta. 2022. V. 253. P. 105–114. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.9
6. Букатин А.С., Мухин И.С., Малышев Е.И. и др. Особенности формирования микроструктур с высоким аспектным соотношением при изготовлении полимерных микрофлюидных чипов для исследования единичных живых клеток in vitro // Журнал технической физики. 2016. Т. 86. № 10. С. 125–130.
Bukatin A.S., Mukhin I.S., Malyshev E.I., et al. Features of high aspect ratio microstructure formation in the fabrication of polymer microfluidic chips for in vitro studies of single living cells [in Russian] // Tech. Phys. 2016. V. 86. № 10. P. 125–130.
7. Weston D.F., Smekal T., Rhine D.B., Blackwell J. Fabrication of microfluidic devices in silicon and plastic using plasma etching // J. Vac. Sci. Technol. B. 2001. V. 19. № 6. P. 2846. https://doi.org/10.1116/1.1421571
8. Niculescu A.-G., Chircov C., Bîrcă A.C., Grumezescu A.M. Fabrication and applications of microfluidic devices: A review // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 4. Art. 2011. https://doi.org/10.3390/ijms22042011
9. Закоян А.Г., Воронков Г.С., Алексакина Я.В. и др. Многоканальная сенсорная система для одновременного опроса нескольких рефрактометрических датчиков на основе фотонной интегральной схемы // Спецвыпуск «Фотон-экспресс-наука». 2023. № 6. С. 135–136. https://doi.org/ 10.24412/2308-6920-2023-6190-135-136
Zakoyan A.G., Voronkov G.S., Aleksakina Ya.V., et. al., Multichannel sensor system for simultaneous polling of several refractometric sensors based on a photonic integrated circuit [In Russian] // Special issue of “Foton-Ekspress-Nauka”. 2023. № 6. P. 135–136. https://doi.org/ 10.24412/2308-6920-2023-6190-135-136

10. Посмитная Я.С., Букатин А.С., Макаров Д.А. и др. Альтернативные подходы при создании мастерформ для изготовления микрофлюидных чипов методом «мягкой» литографии // Научное приборостроение. 2017. Т. 27. № 2. С. 13–20.
Posmitnaya Ya.S., Bukatin A.S., Makarov D.A. et al. Alternative approaches to creating master molds for fabricating microfluidic chips by soft lithography [in Russian] // Nauchnoe Priborostroenie. 2017. V. 27. № 2. P. 13–20.
11. Wlodarczyk K., Hand D.P., Maroto-Valer M.M. Maskless, rapid manufacturing of glass microfluidic devices using a picosecond pulsed laser // Sci. Rep. 2019. V. 9. Art. 20215. https://doi.org/10.1038/s41598-019-56711-5
12. Alsharhan A.T., Acevedo R., Warren R., Sochol R.D. 3D microfluidics via cyclic olefin polymer-based in situ direct laser writing // Lab Chip. 2019. V. 19. № 17. P. 2799–2810. https://doi.org/10.1039/c9lc00542k
13. Xu J., Harasek M., Gföhler M. From soft lithography to 3D printing: Current status and future of microfluidic device fabrication // Polymers. 2025. V. 17. № 4. P. 455. https://doi.org/10.3390/polym17040455
14. Вейко В.П., Шахно Е.А. Лазерные технологии в задачах и примерах: Учебное пособие. СПб.: Университет ИТМО, 2014. 88 с.
Veiko V.P., Shakno E.A. Laser technologies in problems and examples: Textbook [in Russian]. St. Petersburg: ITMO University Publ., 2014. 88 p.
15. Васильев О.С., Вейко В.П., Горный С.Г., Рузанкина Ю.С. Лазерная установка для микроструктурирования поверхности металла с использованием волоконного лазера // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 12. С. 70–77.
Vasiliev O.S., Veiko V.P., Gornyi S.G., Ruzankina Yu.S. Laser apparatus for microstructuring a metal surface, using a fiber laser // Journal of Optical Technology. 2015. V. 82. № 12. P. 831–836. https://doi.org/10.1364/JOT.82.000831
16. Veiko V.P., Andreeva Ya., Luong V.C., Lutoshina D., Polyakov D., Sinev D., Mikhailovskii V., Kolobov Yu., Odintsova G. Laser paintbrush as a tool for modern art // Optica. 2021. V. 8. № 5. P. 577–585. https://doi.org/10.1364/OPTICA.420074
17. Шигорин Д.М., Вишневская Т.А., Мальцева Н.В., Лаврищева С.А., Власов Е.А. Формирование оксидных покрытий на металлических носителях // Известия СПбГТИ (ТУ). 2012. № 14. С. 5–9.
Shigorin D.M., Vishnevskaya T.A., Maltseva N.V., Lavrischeva S.A., Vlasov E.A. Formation of oxide coatings on metal substrates [in Russian] // Izvestiya SPbGTI (TU). 2012. № 14. P. 5–9.
18. Parfenyev V., Belan S., Lebedev V. Universality in statistics of Stokes flow over a no-slip wall with random roughness // J. Fluid Mech. 2019. V. 862. P. 1084–1104. https://doi.org/10.1017/jfm.2018.1021