Microfluïdische apparaten zijn compacte testinstrumenten die bestaan ​​uit minuscule kanaaltjes die op een chip zijn uitgehouwen, waarmee biomedische onderzoekers de eigenschappen van vloeistoffen, deeltjes en cellen op microschaal kunnen testen. Ze zijn cruciaal voor de ontwikkeling van geneesmiddelen, diagnostische tests en medisch onderzoek op gebieden zoals kanker, diabetes en nu COVID-19. De productie van deze apparaten is echter zeer arbeidsintensief, met minuscule kanalen en putjes die vaak handmatig moeten worden geëtst of gegoten in een transparante harschip om te testen. Hoewel 3D-printen veel voordelen heeft opgeleverd voor de productie van biomedische apparaten, waren de technieken ervan voorheen niet gevoelig genoeg om lagen te bouwen met de kleinste details die nodig zijn voor microfluïdische apparaten. Tot nu.

Onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering hebben nu een zeer gespecialiseerde 3D-printtechniek ontwikkeld waarmee microfluïdische kanalen op chips kunnen worden gefabriceerd op een precieze microschaal die voorheen niet werd bereikt. Het onderzoek, geleid door Daniel J. Epstein Department of Industrial and Systems Engineering Ph.D. afgestudeerde Yang Xu en hoogleraar Lucht- en Ruimtevaarttechniek en Industriële en Systeemtechniek Yong Chen, in samenwerking met hoogleraar Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen Noah Malmstadt en Professor Huachao Mao aan de Purdue University, werd gepubliceerd in Nature Communications .

Het onderzoeksteam gebruikte een soort 3D-printtechnologie die bekend staat als vatfotopolymerisatie, waarbij licht wordt gebruikt om de omzetting van vloeibaar harsmateriaal in zijn vaste eindtoestand te regelen.

"Na lichtprojectie kunnen we in principe beslissen waar de onderdelen (van de chip) worden gebouwd, en omdat we licht gebruiken, kan de resolutie binnen een laag nogal hoog zijn. De resolutie is echter veel slechter tussen lagen, wat een kritieke factor is. uitdaging bij het bouwen van kanalen op microschaal," zei Chen.

"Dit is de eerste keer dat we iets hebben kunnen printen met een kanaalhoogte van 10 micron; en we kunnen het heel nauwkeurig regelen, tot een fout van plus of min één micron. Dit is iets dat nog nooit is gebeurd. eerder gedaan, dus dit is een doorbraak in het 3D-printen van kleine kanalen", zei hij.

Vat-fotopolymerisatie maakt gebruik van een vat gevuld met vloeibare fotopolymeerhars, waaruit een bedrukt item laag voor laag wordt opgebouwd. Ultraviolet licht wordt vervolgens op het object geflitst, waardoor de hars op elk laagniveau wordt uitgehard en verhard. Als dit gebeurt, verplaatst een bouwplatform het afgedrukte item omhoog of omlaag zodat er extra lagen op kunnen worden gebouwd.

Maar als het gaat om microfluïdische apparaten, heeft fotopolymerisatie in het vat enkele nadelen bij het creëren van de kleine putjes en kanalen die nodig zijn op de chip. De UV-lichtbron dringt vaak diep door in de resterende vloeibare hars, uithardend en stollend materiaal binnen de wanden van de kanalen van het apparaat, waardoor het voltooide apparaat zou verstoppen.

"Als je het licht projecteert, wil je idealiter maar één laag van de kanaalwand uitharden en de vloeibare hars in het kanaal onaangeroerd laten; maar het is moeilijk om de uithardingsdiepte te regelen, omdat we ons op iets proberen te richten dat slechts een Gat van 10 micron," zei Chen.

Hij zei dat de huidige commerciële processen alleen het creëren van een kanaalhoogte op 100 micron niveau mogelijk maken met een slechte nauwkeurigheidscontrole, vanwege het feit dat het licht te diep in een uitgeharde laag doordringt, tenzij je een ondoorzichtige hars gebruikt die dat niet doet. laat niet zoveel licht door.

"Maar met een microfluïdisch kanaal wil je meestal iets onder een microscoop bekijken, en als het ondoorzichtig is, kun je het materiaal binnenin niet zien, dus moeten we een transparante hars gebruiken," zei Chen.

Om nauwkeurig kanalen in heldere hars te creëren op microschaalniveau dat geschikt is voor microfluïdische apparaten, ontwikkelde het team een ​​uniek hulpplatform dat beweegt tussen de lichtbron en het afgedrukte apparaat, waardoor het licht wordt geblokkeerd om de vloeistof binnen de wanden van een kanaal te laten stollen, zodat het kanaaldak dan apart aan de bovenzijde van het apparaat kan worden toegevoegd. De resterende hars die in het kanaal achterblijft, is nog steeds in vloeibare toestand en kan na het printproces worden weggespoeld om de kanaalruimte te vormen.

Microfluïdische apparaten hebben steeds belangrijkere toepassingen in medisch onderzoek, medicijnontwikkeling en diagnostiek.

"Er zijn zoveel toepassingen voor microfluïdische kanalen. Je kunt een bloedmonster door het kanaal laten stromen en het mengen met andere chemicaliën, zodat je bijvoorbeeld kunt detecteren of je COVID of een hoge bloedsuikerspiegel hebt", zei Chen.

Hij zei dat het nieuwe 3D-printplatform, met zijn microschaalkanalen, andere toepassingen mogelijk maakte, zoals het sorteren van deeltjes. Een deeltjessorteerder is een soort microfluïdische chip die gebruik maakt van kamers van verschillende grootte die deeltjes van verschillende grootte kunnen scheiden. Dit kan aanzienlijke voordelen opleveren voor de opsporing en het onderzoek van kanker.

"Tumorcellen zijn iets groter dan normale cellen, die ongeveer 20 micron zijn. Tumorcellen kunnen meer dan 100 micron zijn," zei Chen. "Op dit moment gebruiken we biopsieën om te controleren op kankercellen; het snijden van orgaan of weefsel van een patiënt om een ​​mix van gezonde cellen en tumorcellen te onthullen. In plaats daarvan zouden we eenvoudige microfluïdische apparaten kunnen gebruiken om (het monster) door kanalen te stromen met nauwkeurig gedrukte hoogtes om cellen in verschillende groottes te scheiden, zodat we niet toestaan ​​dat die gezonde cellen onze detectie verstoren."

Chen zei dat het onderzoeksteam nu bezig was met het indienen van een octrooiaanvraag voor de nieuwe 3D-printmethode en samenwerking zoekt om de fabricagetechniek voor medische testapparatuur te commercialiseren. + Verder verkennen

3D-micromesh-gebaseerd hybride printen voor microtissue engineering