Voor het eerst geïntroduceerd in de jaren 80, stereolithografie (SL) is een additief fabricageproces dat 3D-objecten print door de selectieve uitharding van vloeibare polymeerhars met behulp van een ultraviolette (UV) lichtbron in een laag-voor-laag manier. Het gebruikte polymeer ondergaat een fotochemische reactie die het verandert van vloeibaar in vast wanneer het wordt blootgesteld aan UV-verlichting. Vandaag, SL wordt aangeprezen als een van de meest nauwkeurige vormen van 3D-printen die toegankelijk is voor consumenten, met desktopmodellen (bijv. liquid crystal display-varianten) die slechts $ 300 kosten.

SL is een aantrekkelijke optie voor onderzoekers op het gebied van microfluïdica. Het heeft niet alleen de mogelijkheid om microfluïdische apparaten in een enkele stap te fabriceren vanuit een computergegenereerd model, maar het maakt ook de fabricage mogelijk van echt 3D-structuren die anders een uitdaging zouden zijn geweest, zo niet onmogelijk, met de bestaande fabricagemethoden.

Echter, bij het gebruik van SL-printers bij het afdrukken van microfluïdische kanalen, twee representatieve problemen optreden. Ten eerste, onbedoelde polymerisatie van niet-uitgeharde hars in kanaalleegte kan optreden. Tijdens het printen, de vloeibare hars zit gevangen in de kanaalleegte. Verlichting van volgende lagen kan de ingesloten vloeibare hars per ongeluk uitharden, wat zal resulteren in een kanaalverstopping.

Ten tweede, in het geval dat onbedoelde polymerisatie van hars niet optreedt, de evacuatie van de opgesloten hars in de kanaalleegte kan nog steeds een uitdaging zijn. Dit komt omdat bestaande vloeibare hars viskeus is (d.w.z. consistentie zoals honing), de evacuatie van smalle kanalen of netwerken met meerdere vestigingen uitdagend maken. Deze twee uitdagingen beperken de haalbaarheid van kanaalafmetingen en complexiteit in fluïdische netwerken die door SL zijn geprint.

Om deze beperkingen aan te pakken, onderzoekers van de Singapore Unversity of Technology and Design (SUTD) in samenwerking met de onderzoeksgroep van assistent-professor Toh Yi-Chin van de National University of Singapore, een ontwerpaanpak ontwikkeld die de haalbare kanaalafmetingen en complexiteit van netwerken met bestaande SL kan verbeteren (zie afbeelding).

"De conventionele manier om microfluïdische apparaten af ​​te drukken met SL-printers is om het hele apparaat als een monolithische entiteit af te drukken. problemen zoals onbedoelde polymerisatie van kanaalleegte en problemen bij het evacueren van kanaalleegte komen voort uit afdrukken als een monolithische entiteit, " verklaarde hoofdonderzoeker assistent-professor Michinao Hashimoto van Engineering Product Development, SUTD.

In plaats daarvan, de onderzoekers kozen voor een modulaire aanpak - waarbij ze een microfluïdisch kanaal ruimtelijk deconstrueerden in eenvoudigere subeenheden, afzonderlijk afgedrukt, en vervolgens verzamelden ze om microfluïdische netwerken te vormen. Door deze aanpak toe te passen, ze waren in staat om microfluïdische netwerken af ​​te drukken met meer complexiteit (zoals hiërarchische vertakkingen) en kleinere kanaalafmetingen.

"Met opzet, elke subeenheid wordt ruimtelijk gedeconstrueerd om eenvoudige geometrieën te hebben die niet zouden resulteren in onbedoelde polymerisatie. De eenvoudige geometrieën vergemakkelijkten ook de evacuatie van niet-uitgeharde hars, " zei hoofdauteur Terry Ching, een afgestudeerde student van SUTD.

Het team was in staat om een ​​reeks vloeiende netwerken te fabriceren die moeilijk te printen waren met conventionele methoden. Hun demonstratie omvat hiërarchische vertakkende netwerken, rechtlijnige roosternetwerken, spiraalvormige netwerken, enz. Ze waren ook in staat om de doeltreffendheid van hun aanpak aan te tonen door een substantiële verbetering van de kanaaldimensies te laten zien (d.w.z. kanaal w =75 m en h =90 m) in vergelijking met het gebruik van de conventionele 'monolithische' afdrukbenadering.

Een voor de hand liggende use case is de toepassing van deze benadering om fluïdische netwerken te fabriceren met behulp van hydrogel om de natuurlijke vasculatuur na te bootsen. Daten, de verscheidenheid aan SL-afdrukbare hydrogels is beperkt, en ze missen vaak mechanische eigenschappen die nodig zijn voor een nauwkeurige afdruk of biocompatibiliteit die nodig is voor de opname van levende cellen. Door de geometrieën van elke subeenheid te vereenvoudigen, het team gebruikte hydrogel om ingewikkelde vloeistofnetwerken te fabriceren, het nabootsen van het inheemse vaatstelsel.

"Het vereenvoudigen van de geometrieën van de subeenheden vermindert ook het gebruik van additieven die schadelijk kunnen zijn voor biologische cellen, ’ voegde Ching eraan toe.

Globaal genomen, dit is een algemene ontwerpbenadering die enkele van de grootste uitdagingen in SL-geprinte microfluïdica kan omzeilen - door deze benadering toe te passen, bestaande SL-printers kunnen nu microfluïdica fabriceren met fijnere kanaalafmetingen, en meer vertakkende fijne kneepjes. Dit onderzoekspaper is gepubliceerd in Geavanceerde technische materialen .