Ny tilgang tillader 3-D-print af finere, mere komplekse mikrofluidiske netværk

Først introduceret i 1980'erne, stereolitografi (SL) er en additiv fremstillingsproces, der udskriver 3D-objekter ved selektiv hærdning af flydende polymerharpiks ved hjælp af en ultraviolet (UV) lyskilde på en lag-for-lag måde. Den anvendte polymer gennemgår en fotokemisk reaktion, som ændrer den fra flydende til fast, når den udsættes for UV-belysning. I dag, SL er udråbt som en af ​​de mest nøjagtige former for 3-D-print, der er tilgængelig for forbrugere, med desktop-modeller (f.eks. varianter af flydende krystaller) koster så lidt som 300 USD.

SL er en attraktiv mulighed for forskere inden for mikrofluidik. Ikke alene har den evnen til at fremstille mikrofluidiske enheder i et enkelt trin fra en computergenereret model, men det tillader også fremstillingen af ​​ægte 3D-strukturer, som ellers ville have været udfordrende, hvis ikke umuligt, med de eksisterende fremstillingsmetoder.

Imidlertid, ved brug af SL-printere til udskrivning af mikrofluidkanaler, to repræsentative problemer opstår. For det første, utilsigtet polymerisation af uhærdet harpiks i hulrum i kanalen kan forekomme. Under printet, den flydende harpiks er fanget i kanalens hulrum. Belysning fra efterfølgende lag kan utilsigtet hærde den indesluttede flydende harpiks, hvilket vil resultere i en kanaltilstopning.

For det andet i tilfælde af, at der ikke forekommer utilsigtet polymerisation af harpiks, evakueringen af ​​den fangede harpiks i kanalens hulrum kan stadig være en udfordring. Dette skyldes, at eksisterende flydende harpiks er tyktflydende (dvs. konsistens som honning), gør evakuering af smalle kanaler eller netværk med flere grene udfordrende. Disse to udfordringer begrænser opnåeligheden af ​​kanaldimensioner og kompleksitet i fluidiske netværk udskrevet af SL.

For at håndtere disse begrænsninger, forskere fra Singapore Unversity of Technology and Design (SUTD) i samarbejde med adjunkt Toh Yi-Chins forskningsgruppe fra National University of Singapore, udviklet en designtilgang, der kan forbedre de opnåelige kanaldimensioner og kompleksitet af netværk med eksisterende SL (se billede).

"Den konventionelle måde at udskrive mikrofluidiske enheder på med SL-printere er at udskrive hele enheden som en monolitisk enhed. problemer som utilsigtet polymerisering af hulrum i kanalen og vanskeligheder med at evakuere hulrum i kanaler opstår fra udskrivning som en monolitisk enhed, " forklarede hovedforsker adjunkt Michinao Hashimoto fra Engineering Product Development, SUTD.

I stedet, forskerne tog en modulariseringstilgang - hvor de rumligt dekonstruerede en mikrofluidisk kanal til enklere underenheder, udskrev dem separat, og efterfølgende samlede dem til at danne mikrofluidiske netværk. Ved at anvende denne tilgang, de var i stand til at udskrive mikrofluidiske netværk med større forviklinger (såsom hierarkisk forgrening) og mindre kanaldimensioner.

"Af design, hver underenhed er rumligt dekonstrueret for at have simple geometrier, der ikke ville resultere i utilsigtet polymerisation. De simple geometrier lettede også evakueringen af ​​uhærdet harpiks, " sagde hovedforfatter Terry Ching, en kandidatstuderende fra SUTD.

Holdet var i stand til at fremstille en række flydende netværk, der var udfordrende at udskrive ved hjælp af konventionelle metoder. Deres demonstration inkluderer hierarkiske forgreningsnetværk, retlineære gitternetværk, spiralformede netværk, osv. De var også i stand til at demonstrere effektiviteten af ​​deres tilgang ved at vise en væsentlig forbedringskanaldimension (dvs. kanal w =75 μm og h =90 μm) sammenlignet med at bruge den konventionelle 'monolitiske' udskrivningsmetode.

Et indlysende anvendelsestilfælde er anvendelsen af ​​denne tilgang til at fremstille fluidiske netværk ved hjælp af hydrogel til at efterligne naturlig vaskulatur. Til dato, udvalg af SL-printbare hydrogeler er begrænset, og de mangler ofte mekaniske egenskaber, der er nødvendige for en nøjagtig print eller biokompatibilitet, der kræves til inkorporering af levende celler. Ved at forenkle geometrierne for hver underenhed, holdet brugte hydrogel til at fremstille indviklede fluidiske netværk, efterligner naturlig vaskulatur.

"At forenkle geometrierne af underenhederne reducerer også brugen af ​​additiver, der kan være skadelige for biologiske celler, " tilføjede Ching.

Alt i alt, dette er en generel designtilgang, der kan omgå nogle af de største udfordringer i SL-trykt mikrofluidik - ved at anvende denne tilgang, eksisterende SL-printere kan nu fremstille mikrofluidik med finere kanaldimensioner, og flere forgrenede forviklinger. Denne forskningsartikel er blevet publiceret i Avancerede tekniske materialer .