3D-Druck von Mikrofluidik mit PolyJet-Technologie

Diese Fallstudie befasst sich mit dem 3D-Druck von Mikrofluidikgeräten und wie flexible Materialien eine druckbasierte Abdichtung ermöglichen.

Überblick

Mikrofluidik ist die Untersuchung von Systemen, die geringe Mengen von Flüssigkeiten mithilfe winziger Kanäle verarbeiten oder manipulieren. Als multidisziplinäres Gebiet findet die Mikrofluidik Anwendung in der analytischen Chemie, im Ingenieurwesen und im medizinischen Bereich. Jüngste Forschungen in der Mikrofluidik haben zur Entwicklung von Mikrosystemen namens Lab-on-Chip (LOC) beigetragen. LOCs integrieren mehrere Laborfunktionen in einem einzigen Gerät, dessen Größe von wenigen Millimetern bis zu einigen Quadratzentimetern reichen kann.

Unter anderem aufgrund ihrer mikrofluidischen Kanäle bieten diese Mikrosysteme eine Reihe von Vorteilen, z. B. die Möglichkeit einer umfassenden Analyse begrenzter Flüssigkeitsproben. Der herkömmliche Herstellungsprozess für diese mikrofluidischen Geräte ist kostspielig und erfordert mehrere komplexe Schritte. Er beginnt in der Regel mit einem mit Fotolack strukturierten Siliziumwafer, der dann mit UV-Licht ausgehärtet und mit einem Polymer wie PDMS überzogen werden muss. Dieser Vorgang kann etwa 8 Stunden dauern und erschwert die Herstellung mehrerer identischer Chips. Herkömmlich hergestellte Chips sind zudem sehr empfindlich und neigen zum Abplatzen und Abblättern.

Anwendungsübersicht

Forscher des Department of Chemistry der Saint Louis University und des Department of Biomedical Engineering der Michigan State University sehen in der Verwendung der PolyJet-Technology™ ein großes Potenzial für die Herstellung mikrofluidischer Geräte. Im Vergleich zu den arbeitsintensiven und zeitaufwändigen herkömmlichen Methoden ist der 3D-Druck von Mikrofluidikgeräten schneller, leicht anpassbar und ermöglicht eine bessere Reproduzierbarkeit. Ein großer Vorteil der PolyJet-Technologie ist, dass die herkömmlichen Fertigungsbeschränkungen entfallen. Die hochauflösenden PolyJet-3D-Drucker machen die Erstellung komplexer Geometrien, die für die Mikrofluidik erforderlich sind, wie z. B. kleine, geschlossene Kanäle, schneller und weniger arbeitsintensiv. Die PolyJet-Technologie ersetzt mehrere Prozesse, die normalerweise für die Herstellung von Mikrofluidikgeräten erforderlich sind, und macht eine UV-Härtung und Schichtung überflüssig.

Mit einem PolyJet-3D-Drucker konnte das Team in weniger als einer halben Stunde einen Mikrofluidik-Chip herstellen. Während der 3D-Druck mikrofluidischer Geräte in der Regel mit gravierenden Nachteilen verbunden ist, bietet die PolyJet-Technologie eine Lösung für Probleme wie Oberflächenqualität, optische Transparenz und Materialauswahl. Die hohe Auflösung von PolyJet-3D-Druckern ermöglicht die Herstellung echter mikrofluidischer Kanäle (125 x 54 µm) mit komplexen Geometrien wie Serpentinenkanälen. PolyJet-3D-Drucker bieten zudem Multimaterialfähigkeiten und Materialien mit unterschiedlicher Textur und Transparenz. Viele Mikrofluidikgeräte erfordern Transparenz für optische Prüfungen. Für die Deckschicht ihres Mikrofluidik-Chips verwendete das Team durchscheinendes, acrylähnliches VeroClear™. Für Anschlüsse und World-To-Chip-Verbindungen verwendete das Team das gummiartige Material Tango+. Dies ermöglichte den Aufbau wichtiger druckbasierter Abdichtungen und Verbindungsschläuche.

Das Team stellte fest, dass PolyJet-Materialien sowohl für die Analyse komplexer biologischer Proben als auch für die optische Analyse kleiner Moleküle gut geeignet sind. Der Einsatz der PolyJet-Technologie ermöglicht die Entwicklung mikrofluidischer Geräte, die langlebiger, leichter reproduzierbar und effizienter herzustellen sind als auf herkömmliche Weise. Die Forschungsergebnisse des Teams zum 3D-Druck und zur Mikrofluidik wurden in den Zeitschriften Analytical Chemistry und Analyst veröffentlicht, die beide online verfügbar sind.