Ny 3D-printteknik er en game changer for medicinske testenheder

Mikrofluidiske enheder er kompakte testværktøjer, der består af bittesmå kanaler skåret på en chip, som gør det muligt for biomedicinske forskere at teste egenskaberne af væsker, partikler og celler i mikroskala. De er afgørende for lægemiddeludvikling, diagnostisk testning og medicinsk forskning inden for områder som kræft, diabetes og nu COVID-19. Produktionen af ​​disse enheder er dog meget arbejdskrævende, med små kanaler og brønde, der ofte skal ætses manuelt eller støbes til en gennemsigtig harpikschip til test. Mens 3D-print har tilbudt mange fordele for fremstilling af biomedicinske enheder, var dens teknikker tidligere ikke følsomme nok til at bygge lag med de mindste detaljer, der kræves til mikrofluidiske enheder. Indtil nu.

Forskere ved USC Viterbi School of Engineering har nu udviklet en højt specialiseret 3D-printteknik, der gør det muligt at fremstille mikrofluidkanaler på chips i en præcis mikroskala, som ikke tidligere er opnået. Forskningen, ledet af Daniel J. Epstein Institut for Industri- og Systemteknik Ph.D. kandidat Yang Xu og professor i rumfart og maskinteknik og industri- og systemteknik Yong Chen blev i samarbejde med professor i kemiteknik og materialevidenskab Noah Malmstadt og professor Huachao Mao ved Purdue University udgivet i Nature Communications .

Forskerholdet brugte en type 3D-printteknologi kendt som karfotopolymerisation, som udnytter lys til at kontrollere omdannelsen af ​​flydende harpiksmateriale til dets faste sluttilstand.

"Efter lysprojektion kan vi som udgangspunkt beslutte, hvor vi skal bygge delene (af chippen), og fordi vi bruger lys, kan opløsningen være ret høj i et lag. Opløsningen er dog meget dårligere mellem lagene, hvilket er en kritisk faktor. udfordring i opbygningen af ​​mikroskalakanaler," sagde Chen.

"Det er første gang, vi har været i stand til at udskrive noget, hvor kanalhøjden er på 10 mikron niveau; og vi kan styre det virkelig præcist, til en fejl på plus eller minus en mikron. Dette er noget, der aldrig har været gjort før, så dette er et gennembrud inden for 3D-print af små kanaler," sagde han.

Karfotopolymerisering gør brug af et kar fyldt med flydende fotopolymerharpiks, hvoraf et trykt emne er konstrueret lag for lag. Ultraviolet lys blinker derefter på objektet, hærder og hærder harpiksen på hvert lag niveau. Når dette sker, flytter en byggeplatform det udskrevne emne op eller ned, så der kan bygges yderligere lag på det.

Men når det kommer til mikrofluidiske enheder, har karfotopolymerisering nogle ulemper ved skabelsen af ​​de små brønde og kanaler, der kræves på chippen. UV-lyskilden trænger ofte dybt ind i den resterende flydende harpiks, hærder og størkner materiale inden for væggene i enhedens kanaler, hvilket ville tilstoppe den færdige enhed.

"Når du projicerer lyset, vil du ideelt set kun hærde et lag af kanalvæggen og efterlade den flydende harpiks inde i kanalen urørt; men det er svært at kontrollere hærdningsdybden, da vi forsøger at målrette noget, der kun er en 10 mikron hul," sagde Chen.

Han sagde, at de nuværende kommercielle processer kun tillod skabelsen af ​​en kanalhøjde på 100 mikron niveau med dårlig nøjagtighedskontrol, på grund af det faktum, at lyset trænger for dybt ind i et hærdet lag, medmindre du bruger en uigennemsigtig harpiks, der ikke t tillade så meget lysindtrængning.

"Men med en mikrofluidisk kanal vil du typisk observere noget under mikroskop, og hvis det er uigennemsigtigt, kan du ikke se materialet indeni, så vi skal bruge en gennemsigtig harpiks," sagde Chen.

For præcist at skabe kanaler i klar harpiks på et mikroskalaniveau, der er egnet til mikrofluidiske enheder, udviklede teamet en unik hjælpeplatform, der bevæger sig mellem lyskilden og den trykte enhed, og blokerer lyset i at størkne væsken inden for væggene i en kanal, så kanaltaget derefter kan tilføjes separat til toppen af ​​enheden. Den resterende harpiks, der forbliver i kanalen, vil stadig være i flydende tilstand og kan derefter skylles ud efter trykningsprocessen for at danne kanalrummet.

Mikrofluidiske enheder har stadig vigtigere anvendelser inden for medicinsk forskning, lægemiddeludvikling og diagnostik.

"Der er så mange applikationer til mikrofluidkanaler. Du kan flyde en blodprøve gennem kanalen, blande den med andre kemikalier, så du for eksempel kan opdage, om du har COVID eller høje blodsukkerniveauer," sagde Chen.

Han sagde, at den nye 3D-udskrivningsplatform med dens mikroskalakanaler gav mulighed for andre applikationer, såsom partikelsortering. En partikelsorterer er en type mikrofluidisk chip, der gør brug af kamre af forskellig størrelse, der kan adskille partikler af forskellig størrelse. Dette kan give betydelige fordele for kræftdetektion og -forskning.

"Tumorceller er lidt større end normale celler, som er omkring 20 mikron. Tumorceller kan være over 100 mikron," sagde Chen. "Lige nu bruger vi biopsier til at tjekke for kræftceller; skærer organ eller væv fra en patient for at afsløre en blanding af sunde celler og tumorceller. I stedet kunne vi bruge simple mikrofluidiske enheder til at flyde (prøven) gennem kanaler med nøjagtigt trykt højder for at adskille celler i forskellige størrelser, så vi ikke tillader disse raske celler at forstyrre vores påvisning."

Chen sagde, at forskerholdet nu var i gang med at indgive en patentansøgning for den nye 3D-printmetode og søger samarbejde for at kommercialisere fremstillingsteknikken til medicinske testudstyr. + Udforsk yderligere

3D mikromesh-baseret hybridudskrivning til mikrovævsteknologi