3D-печать помогла создать рекордно тонкие каналы для микрофлюидики

Микрофлюидный чип, напечатанный на 3D-принтере.
BYU University Communications
Коллектив ученых из 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. Исследование опубликовано в специализированном журнале по микрофлюидике Lab on a Chip.
Микрофлюидика — это область, в рамках которой изучают поведение жидкостей в каналах толщиной порядка микрон. Благодаря своим небольшим размерам микрофлюидные устройства позволяют проводить сложные многостадийные манипуляции с жидкостями и помещенными в них объектами (клетками, пузырьками, 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 сравнительно толстыми (миллиметровыми) капиллярами — в микрофлюидике несколько меняется поведение жидкости. 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 и 3D-печать. Однако до сих пор ей не хватало точности и разрешения, чтобы всерьез соревноваться с литографией. Авторы новой работы создали свою модификацию коммерческого 3D-принтера и подобрали специфический материал для печати, в результате чего смогли добиться рекордного разрешения.
Особое внимание авторы уделили светопоглощающей добавке, которая решала одну из главных проблем трехмерной печати микроканалов. Представьте, что принтер только что напечатал слой, в котором есть пустота (канал), а следующий слой должен быть сплошным (верхней крышкой, например). При освещении «пикселя», расположенного над пустотой, свет может проникнуть в предыдущий слой, в результате чего вместо пустоты вы получите стенку. Чтобы этого избежать, и 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 (совместимость с источником света), критическая температура, механическая прочность после полимеризации образца, способность к флуоресценции (паразитная и ненужная в данной работе) и обеспечиваемое разрешение печати, то есть глубина проникновения света. После такого отбора ученые оставили лишь одно вещество — NPS (2-нитрофенил фенил сульфид).
Спектр применения трехмерной печати на сегодняшний день остается очень широким: от микрофлюидики и печати органов до строительства зданий. Точно так же велик и диапазон используемых материалов: помимо пластика известны системы для печати металлом или стеклом.
Тарас Молотилин