3D-печать обеспечит дальнейшее продвижение микрофлюидики

Ученые университета Бригама Янга (США) предложил метод 3D-печати для создания микрофлюидных «лабораторий-на-чипе» с рекордно тонкими каналами. Благодаря технологии DLP («цифровой обработки света») и тщательному подбору материала для печати авторы добились стопроцентного выхода при создании каналов сечением 18×20 квадратных микрон — в 10 раз меньшей площади, чем удавалось до сих пор.

Микрофлюидика — это область, исследующая поведение жидкостей в каналах толщиной порядка микрон. Благодаря небольшим размерам микрофлюидные устройства позволяют проводить сложные многостадийные манипуляции с жидкостями и помещенными в них объектами (клетками, частицами, каплями) при помощи чипов размером в несколько миллиметров. Отсюда и название самых популярных микрофлюидных устройств — «лаборатории на чипе». По сравнению с макросистемами, привычными «трубами» и миллиметровыми капиллярами, поведение жидкости в микрофлюидике изменяется. Например, большую роль играет вязкое сопротивление и свойства поверхности.

Отдельную проблему представляет собой производство тонких каналов, ведь как и в микроэлектронике, каждый чип состоит из многочисленных «дорожек» (каналов для жидкостей) с «перекрестками», клапанами и участками с особой формой и рельефом стенок. Для создания микрофлюидных систем традиционно используются методы мягкой литографии, но в последнее время набирает популярность 3D-печать. Однако до сих пор ей не хватало точности и разрешения, чтобы соревноваться с литографией. Новая разработка представляет собой модификацию коммерческого 3D-принтера с использованием специальных материалов для печати.

В качестве материала стенок в микрофлюидике обычно используются полимеры, которые образуются из жидкого раствора в процессе фотополимеризации. Для этого каждый слой, нанесенный во время печати, необходимо облучить светом с определенной длиной волны. Освещенные участки слоя застынут и станут стенками, а неосвещенные затем смоются, образуя сам канал. Чтобы точно освещать только требуемые участки слоя, авторы воспользовались методом DLP, который широко используется в проекторах с установленной системой призм и зеркал, создающих необходимую последовательность пикселей в каждом изображении. Источником света в работе послужил светодиод с длиной волны 385 нанометров (обычно длинна волны составляет 405 нм.), что позволило рассмотреть больший спектр пригодных для печати материалов.

Особое внимание авторы уделили светопоглощающей добавке, которая решала проблему трехмерной печати полых микроканалов. При освещении области, расположенной выше полого канала, свет проникнет в него и полость заполнится матералом, не перекрыв канал сверху, а сделав из него непроницаемую стенку. Чтобы этого избежать, добавляется фотопоглощающая добавка, которая не дает свету проникать дальше, чем того требуется. Фотопоглощающее вещество авторы отбирали из 20 кандидатов, которых сравнивали по 6 критериям: растворимость в основном материале, спектр поглощения для совместимости с источником света, критическая температура, механическая прочность после полимеризации образца, отсутствие ненужной флуоресценции и обеспечиваемое разрешение печати, то есть глубина проникновения света. После такого отбора ученые оставили лишь одно вещество — NPS (2-нитрофенил фенил сульфид).

Для того, чтобы протестировать готовый метод, авторы напечатали несколько типичных микрофлюидных систем: «змейку», а также канал с большим соотношением сторон по вертикали — 25 микрон в ширину и 3 миллиметра в высоту. Ученые также оценили ширину одного «пикселя» в плоскости печати — 7,6 микрон, а минимально достижимое сечение канала составило 18×20 квадратных микрон. В статье отмечается, что методы литографии позволяют добиваться и меньших значений, однако они лишены многих возможностей трехмерной печати, например, создания полноценных 3D-устройств, в которых каналы не лежат в одной плоскости.

Исследование опубликовано в журнале по микрофлюидике «Lab on a Chip».

COMMENTS

  • Dayle Grabert

    Of course, what a great site and instructive posts, I definitely will bookmark your blog.Best Regards!

Leave a Comment