En moderne digital lysbehandlingsteknologi til 3D-print af mikrofluidchips

Konventionelle fremstillingsmetoder såsom blød litografi og varmeprægningsprocesser kan bruges til at biokonstruere mikrofluidchips, omend med begrænsninger, herunder vanskeligheder med at forberede flerlagsstrukturer, omkostnings- og arbejdskrævende fremstillingsprocesser samt lav produktivitet.

Materialeforskere har introduceret digital lysbehandling som en omkostningseffektiv mikrofabrikationstilgang til 3D-print af mikrofluidchips, selvom fremstillingsopløsningen af ​​disse mikrokanaler er begrænset til en skala på under 100 mikron.

I en ny rapport offentliggjort i Microsystems and Nanoengineering , Zhuming Luo og et videnskabeligt team inden for biomedicinsk teknik og kemiteknik i Kina udviklede en innovativ digital lysbehandlingsmetode.

De foreslog en modificeret matematisk model til at forudsige UV-bestråling for harpiksfotopolymerisering og styrede fremstillingen af ​​mikrokanaler med øget opløsning. Den avancerede mikrofremstillingsmetode kan lette store udviklinger inden for præcis og skalerbar mikrokanaldannelse som et væsentligt næste skridt for udbredte anvendelser i mikrofluidikbaserede strategier inden for biomedicin.

Mikrofluidiske chips

Microfluidics-chipsene tilbyder et kraftfuldt værktøj til at miniaturisere applikationer i 3D-cellekultur til lægemiddelscreening og -testapplikationer og organ-på-en-chip-assays. Konventionelle metoder til udvikling af mikrofluidchips omfatter blød litografi og varm kapillarfremstilling med en kompliceret konstruktionsproces, lav produktivitet og høje omkostninger.

3D bioprint har tiltrukket sig stigende opmærksomhed for innovativt design og fremstilling af skræddersyede strukturer i mikroskala. Materialeforskere har brugt digital lysbehandling til lag-for-lag kar-fotopolymerisering til mikrofabrikation med opløsninger på op til snesevis af mikrometer med hurtig behandlingshastighed og nem funktion.

I dette arbejde udviklede Luo og kolleger en ny digital lysbehandlingsmetode til højopløsnings- og opskaleringsfremstilling af mikrofluidiske enheder ved dosering og zoneinddeling af karpolymerisering. Holdet finjusterede udskrivningsparametrene og andre parametre for præcist at skræddersy fotopolymeriseringen af ​​tilstødende harpikslag og undgå kanalblokering på grund af overdreven UV-eksponering.

Sammenlignet med konventionelle metoder tillod processen en-batch-udvikling af op til 16 mikrofluidchips. Den nuværende metode kan lette store fremskridt inden for præcis og skalerbar mikrokanaludvikling som et væsentligt skridt fremad for mikrofluidikbaserede enheder inden for biomedicin.

Brug af en matematisk model til at forudsige de karakteristiske parametre for harpiks

Holdet regulerede UV-bestrålingsdoseringen ved at anvende trinvis UV for at polymerisere harpiksen lag for lag ved at bruge en matematisk model. Ved UV-bestråling i en bestemt eksponeringstid polymeriserede forskerne en bestemt dybde af harpiksopløsningen. Derefter, ved hjælp af den matematiske model, bestemte de en omfattende metode til at beregne tærsklen for harpikspolymerisation. Den i værket indbyggede trykbane opdelte mikrokanalen præcist i bundlaget, kanallaget og taglaget.

Designrationale og eksperimentel opsætning til udvikling af mikrokanaler

Baseret på resultaterne foreslog forskerne en modificeret version af digital light process (DLP) printstrategi for at fremstille væsentligt små mikrokanaler gennem doserings- og zonereguleret karfotopolymerisering (forkortet DZC-VPP). Denne proces opdelte mikrokanalerne i flere lag. Kapaciteten til at regulere zonerne for hvert projektionstrin tillod den præcise regulering af lokal harpikspolymerisation, forskerne printede med succes kanalerne med væsentlig højere opløsning.

Holdet undersøgte printkvaliteten af ​​den nye tilgang ved at sammenligne den med den konventionelle metode. Mens den konventionelle metode førte til dårlig troværdighed af kanaler på grund af akkumulering af overdreven UV-eksponering, tilbød den nye metode kontrasterende mikrokanaler med betydeligt forbedret printtroskab for at tillade udviklingen af ​​glattere indre overflader i mikrokanalerne med betydelig indvirkning på væskemanipulation. DZC-VPP-metoden er desuden yderst skalerbar og omkostningseffektiv.

Mekanisk stabilitet af de udviklede materialer

Luo og kolleger undersøgte derefter den mekaniske stabilitet af de mikrofluidiske enheder konstrueret med den nye DZC-VPP-metode og sammenlignede den igen med den konventionelle proces. Mens mekanisk stabilitet er afgørende for, at de mikrofluidiske chips kan tolerere højt væsketryk, viste de to materialer lignende spændings-belastningskurver.

Den DZC-VPP-fabrikerede chip viste signifikant højere brudspænding og belastning sammenlignet med DLP-chippen, hvilket indikerer, at den nye strategi forbedrede både printopløsning og mekanisk stabilitet af de konstruerede mikrofluidchips.

Generering af dråber og mikrogeler og indkapsling af celler med mikrogeler

For at opnå mikrofluidisk generering af dråber brugte forskerne rent vand som den vandige fase og en olie-glycol-emulsion til at skabe monodisperse vandige dråber. Holdet indkapslede cellerne med mikrogeler i de fremstillede chips ved at bruge alginatsystemet. For at forhindre cytotoksicitet i instrumentet testede forskerne biokompatibiliteten af ​​chipsene ved hjælp af celleladede mikrogeler.

Både HeLa-celler og mesenkymale rotteceller, der blev brugt i undersøgelsen, bibeholdte cellelevedygtighed efter indkapsling for gradvist at formere sig til celleklynger, hvilket indikerer den biovenlige natur af den DZC-VPP-konstruerede mikrofluidisk enhed. Metoden er også bedst egnet til andre celle-relaterede applikationer, herunder udvikling af orgel-på-en-chip-instrumenter.

Sammenlignet med den konventionelle digitale lysudskrivningsproces kan den nyere DC-VPP-metode regulere UV-gennemtrængningsdybden for harpiksfotopolymerisering. Resultaterne fremhævede pålideligheden af ​​den nye proces til udskrivning i høj opløsning til fremstilling af 3D-printede mikrofluidchips.

Outlook

På denne måde udviklede Zhuming Luo og forskerholdet en ny doserings- og zoneinddelingsreguleret karfotopolymeriseringsmetode (forkortet DZC-VPP) til at 3D-printe mikrokanaler med forbedret opløsning og mekanisk stabilitet. Holdet opnåede dette ved at foreslå en matematisk model til at forudsige den akkumulerede UV-bestråling til harpikspolymerisering som en guide til design og print af mikrokanalerne.

Ved at bruge metoden udskrev holdet en mikrokanal med konventionel blød litografi eller varmprægning for at generere monodisperse dråber med høj kapacitet og cellefyldte mikrogeler. Denne meget effektive metode til mikrofremstilling repræsenterer et nøgletrin for høj opløsning, opskaleret fremstilling af mikrofluidiske enheder til udbredte applikationer.

Flere oplysninger: Zhiming Luo et al., Digital lysbehandling 3D-print til mikrofluidchips med forbedret opløsning via doserings- og zoneinddelingsstyret karfotopolymerisering, Microsystems &Nanoengineering (2023). DOI:10.1038/s41378-023-00542-y

Fei Shao et al., Microfluidic Encapsulation of Single Cells by Alginate Microgels Using a Trigger-Gellified Strategy, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology (2020). DOI:10.3389/fbioe.2020.583065

Journaloplysninger: Mikrosystemer og nanoteknik

© 2023 Science X Network