Conventionele productiemethoden zoals zachte lithografie en hete embossingprocessen kunnen worden gebruikt voor het bio-engineeren van microfluïdische chips, zij het met beperkingen, waaronder problemen bij het vervaardigen van meerlaagse structuren, kosten- en arbeidsintensieve fabricageprocessen en een lage productiviteit.

Materiaalwetenschappers hebben digitale lichtverwerking geïntroduceerd als een kosteneffectieve microfabricagebenadering voor 3D-geprinte microfluïdische chips, hoewel de fabricageresolutie van deze microkanalen beperkt is tot een schaal van minder dan 100 micron.

In een nieuw rapport gepubliceerd in Microsystems and Nanoengineering ontwikkelden Zhuming Luo en een wetenschappelijk team op het gebied van biomedische technologie en chemische technologie in China een innovatieve digitale lichtverwerkingsmethode.

Ze stelden een aangepast wiskundig model voor om UV-straling voor harsfotopolymerisatie te voorspellen en begeleidden de fabricage van microkanalen met verhoogde resolutie. De geavanceerde microfabricagemethode kan belangrijke ontwikkelingen in precieze en schaalbare microkanaalvorming mogelijk maken als een belangrijke volgende stap voor wijdverbreide toepassingen in op microfluïdica gebaseerde strategieën in de biogeneeskunde.

Microfluïdische chips

De microfluidics-chips bieden een krachtig hulpmiddel om toepassingen in 3D-celkweek te miniaturiseren voor het screenen en testen van geneesmiddelen en organ-on-a-chip-assays. Conventionele methoden om microfluïdische chips te ontwikkelen omvatten zachte lithografie en hete capillaire fabricage met een ingewikkeld engineeringproces, lage productiviteit en hoge kosten.

3D-bioprinten heeft steeds meer aandacht getrokken voor het innovatief ontwerpen en vervaardigen van op maat gemaakte structuren op microschaal. Materiaalwetenschappers hebben digitale lichtverwerking gebruikt voor laag-voor-laag fotopolymerisatie in vaten om microfabricaten te maken met resoluties tot tientallen micron, met hoge verwerkingssnelheid en gebruiksgemak.

In dit werk ontwikkelden Luo en collega's een nieuwe digitale lichtverwerkingsmethode voor de fabricage van microfluïdische apparaten met hoge resolutie en opschaling door vatpolymerisatie te doseren en te zoneren. Het team heeft de printparameters en andere parameters verfijnd om de fotopolymerisatie van aangrenzende harslagen nauwkeurig af te stemmen en kanaalblokkering als gevolg van overmatige UV-blootstelling te voorkomen.

In vergelijking met conventionele methoden maakte het proces de ontwikkeling van maximaal 16 microfluïdische chips in één batch mogelijk. De huidige methode kan grote vooruitgang boeken op het gebied van nauwkeurige en schaalbare ontwikkeling van microkanalen, als een belangrijke stap voorwaarts op het gebied van op microfluïdica gebaseerde apparaten in de biogeneeskunde.

Een wiskundig model gebruiken om de karakteristieke parameters van hars te voorspellen

Het team regelde de dosis UV-straling door stapsgewijs UV toe te passen om de hars laag voor laag te polymeriseren met behulp van een wiskundig model. Na UV-bestraling gedurende een specifieke belichtingstijd polymeriseerden de wetenschappers een specifieke diepte van de harsoplossing. Vervolgens bepaalden ze met behulp van het wiskundige model een uitgebreide methode om de drempel voor harspolymerisatie te berekenen. Het in het werk verwerkte printpad verdeelde het microkanaal nauwkeurig in de onderlaag, kanaallaag en daklaag.

Ontwerpgrondgedachte en experimentele opstelling voor de ontwikkeling van microkanalen

Op basis van de resultaten stelden de onderzoekers een aangepaste versie van de digitale lichtproces (DLP) printstrategie voor om substantieel kleine microkanalen te fabriceren door middel van dosis- en zonering-gereguleerde vatfotopolymerisatie (afgekort DZC-VPP). Dit proces verdeelde de microkanalen in verschillende lagen. Het vermogen om de zones voor elke projectiestap te regelen maakte een nauwkeurige regeling van de lokale harspolymerisatie mogelijk. De wetenschappers hebben met succes de kanalen met een aanzienlijk hogere resolutie geprint.

Het team bestudeerde de printkwaliteit van de nieuwe aanpak door deze te vergelijken met de conventionele methode. Terwijl de conventionele methode leidde tot een slechte betrouwbaarheid van kanalen als gevolg van de accumulatie van overmatige UV-blootstelling, bood de nieuwe methode daarentegen microkanalen met aanzienlijk verbeterde printgetrouwheid om de ontwikkeling van gladdere interne oppervlakken binnen de microkanalen mogelijk te maken met een aanzienlijke impact op vloeistofmanipulatie. De DZC-VPP-methode is bovendien zeer schaalbaar en kosteneffectief.

Mechanische stabiliteit van de ontwikkelde materialen

Luo en collega's onderzochten vervolgens de mechanische stabiliteit van de microfluïdische apparaten die waren ontworpen met de nieuwe DZC-VPP-methode en vergeleken deze opnieuw met het conventionele proces. Hoewel mechanische stabiliteit van cruciaal belang is om de microfluïdische chips een hoge vloeistofdruk te laten tolereren, vertoonden de twee materialen vergelijkbare spannings-rekcurven.

De door DZC-VPP gefabriceerde chip vertoonde aanzienlijk hogere breukspanning en rek in vergelijking met de DLP-chip, wat aangeeft dat de nieuwe strategie zowel de printresolutie als de mechanische stabiliteit van de ontwikkelde microfluïdische chips verbeterde.

Het genereren van druppeltjes en microgels en het inkapselen van cellen met microgels

Om microfluïdische druppeltjes te genereren, gebruikten de wetenschappers zuiver water als de waterfase en een olie-glycolemulsie om monodisperse waterdruppeltjes te creëren. Het team kapselde de cellen in met microgels in de gefabriceerde chips met behulp van het alginaatsysteem. Om cytotoxiciteit in het instrument te voorkomen, testten de onderzoekers de biocompatibiliteit van de chips met behulp van met cellen beladen microgels.

Zowel HeLa-cellen als mesenchymale cellen van ratten die in het onderzoek werden gebruikt, behielden de levensvatbaarheid van de cellen na inkapseling om geleidelijk te prolifereren in celclusters, wat de biovriendelijke aard van het door DZC-VPP ontworpen microfluïdische apparaat aangeeft. De methode is ook het meest geschikt voor andere celgerelateerde toepassingen, waaronder de ontwikkeling van orgel-op-een-chip-instrumenten.

Vergeleken met het conventionele digitale lichtdrukproces kan de nieuwere DC-VPP-methode de UV-penetratiediepte voor harsfotopolymerisatie regelen. De resultaten benadrukken de betrouwbaarheid van het nieuwe proces voor printen met hoge resolutie om 3D-geprinte microfluïdische chips te vervaardigen.

Vooruitzichten

Op deze manier ontwikkelden Zhuming Luo en het onderzoeksteam een ​​nieuwe doserings- en zoneringsgereguleerde vatfotopolymerisatiemethode (afgekort DZC-VPP) om microkanalen in 3D te printen met verbeterde resolutie en mechanische stabiliteit. Het team heeft dit bereikt door een wiskundig model voor te stellen om de geaccumuleerde UV-straling voor harspolymerisatie te voorspellen als leidraad voor het ontwerpen en printen van de microkanalen.

Met behulp van deze aanpak printte het team een ​​microkanaal met conventionele zachte lithografie of warm reliëf om monodisperse druppels en met cellen beladen microgels met hoge doorvoer te genereren. Deze zeer efficiënte methode van microfabricage vertegenwoordigt een belangrijke stap voor de hoge resolutie, opgeschaalde fabricage van microfluïdische apparaten voor wijdverbreide toepassingen.

Meer informatie: Zhiming Luo et al., Digitale lichtverwerking 3D-printen voor microfluïdische chips met verbeterde resolutie via dosis- en zonering-gecontroleerde vatfotopolymerisatie, Microsystemen en nano-engineering (2023). DOI:10.1038/s41378-023-00542-y

Fei Shao et al., Microfluïdische inkapseling van afzonderlijke cellen door alginaatmicrogels met behulp van een trigger-gellificeerde strategie, Grenzen in bio-engineering en biotechnologie (2020). DOI:10.3389/fbioe.2020.583065

Journaalinformatie: Microsystemen en nano-engineering

© 2023 Science X Netwerk