Die neue 3D-Drucktechnik ist ein Game Changer für medizinische Testgeräte

Mikrofluidische Geräte sind kompakte Testwerkzeuge, die aus winzigen Kanälen bestehen, die in einen Chip geschnitzt sind und es biomedizinischen Forschern ermöglichen, die Eigenschaften von Flüssigkeiten, Partikeln und Zellen im Mikromaßstab zu testen. Sie sind entscheidend für die Arzneimittelentwicklung, diagnostische Tests und die medizinische Forschung in Bereichen wie Krebs, Diabetes und jetzt COVID-19. Die Herstellung dieser Geräte ist jedoch sehr arbeitsintensiv, mit winzigen Kanälen und Vertiefungen, die zum Testen oft manuell geätzt oder in einen transparenten Harzchip eingegossen werden müssen. Während der 3D-Druck viele Vorteile für die Herstellung biomedizinischer Geräte bietet, waren seine Techniken bisher nicht empfindlich genug, um Schichten mit den für mikrofluidische Geräte erforderlichen winzigen Details aufzubauen. Bis jetzt.

Forscher der USC Viterbi School of Engineering haben nun ein hochspezialisiertes 3D-Druckverfahren entwickelt, mit dem mikrofluidische Kanäle auf Chips in einem bisher unerreichten präzisen Mikromaßstab hergestellt werden können. Die Forschung unter der Leitung von Daniel J. Epstein Department of Industrial and Systems Engineering Ph.D. Absolvent Yang Xu und Professor für Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau sowie Industrie- und Systemtechnik Yong Chen, in Zusammenarbeit mit Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften Noah Malmstadt und Professor Huachao Mao an der Purdue University, wurde in veröffentlicht Naturkommunikation.

Das Forschungsteam verwendete eine Art 3D-Drucktechnologie, die als Vat-Photopolymerisation bekannt ist und Licht nutzt, um die Umwandlung von flüssigem Harzmaterial in seinen festen Endzustand zu steuern.

„Nach der Lichtprojektion können wir grundsätzlich entscheiden, wo die Teile (des Chips) gebaut werden sollen, und da wir Licht verwenden, kann die Auflösung innerhalb einer Schicht ziemlich hoch sein. Allerdings ist die Auflösung zwischen den Schichten viel schlechter, was ein kritischer Punkt ist Herausforderung beim Bau von Kanälen im Mikromaßstab“, sagte Chen.

„Dies ist das erste Mal, dass wir etwas drucken konnten, bei dem die Kanalhöhe auf dem Niveau von 10 Mikron liegt; und wir können es wirklich genau steuern, auf einen Fehler von plus oder minus einem Mikron. Das ist etwas, das es noch nie gegeben hat zuvor getan, also ist dies ein Durchbruch im 3D-Druck von kleinen Kanälen“, sagte er.

Bei der Wannen-Photopolymerisation wird eine mit flüssigem Photopolymerharz gefüllte Wanne verwendet, aus der Schicht für Schicht ein Druckobjekt aufgebaut wird. Ultraviolettes Licht wird dann auf das Objekt gestrahlt und härtet das Harz auf jeder Schichtebene aus. Dabei bewegt eine Bauplattform das gedruckte Objekt nach oben oder unten, damit weitere Schichten darauf aufgebaut werden können.

Aber wenn es um mikrofluidische Geräte geht, hat die Wannen-Photopolymerisation einige Nachteile bei der Herstellung der winzigen Vertiefungen und Kanäle, die auf dem Chip erforderlich sind. Die UV-Lichtquelle dringt oft tief in das restliche flüssige Harz ein und härtet und verfestigt Material innerhalb der Wände der Kanäle des Geräts, das das fertige Gerät verstopfen würde.

„Wenn Sie das Licht projizieren, möchten Sie idealerweise nur eine Schicht der Kanalwand aushärten und das flüssige Harz im Inneren des Kanals unberührt lassen; aber es ist schwierig, die Aushärtungstiefe zu kontrollieren, da wir versuchen, etwas anzuvisieren, das nur eine ist 10-Mikrometer-Lücke“, sagte Chen.

Er sagte, dass derzeitige kommerzielle Prozesse die Erzeugung einer Kanalhöhe auf 100-Mikron-Ebene nur mit schlechter Genauigkeitskontrolle zuließen, da das Licht zu tief in eine ausgehärtete Schicht eindringt, es sei denn, Sie verwenden ein undurchsichtiges Harz, das dies nicht tut. nicht so viel Licht eindringen lassen.

„Aber bei einem mikrofluidischen Kanal möchte man normalerweise etwas unter dem Mikroskop beobachten, und wenn es undurchsichtig ist, kann man das Material im Inneren nicht sehen, also müssen wir ein transparentes Harz verwenden“, sagte Chen.

Um Kanäle in klarem Harz auf Mikroebene, die für mikrofluidische Geräte geeignet sind, genau zu erzeugen, entwickelte das Team eine einzigartige Hilfsplattform, die sich zwischen der Lichtquelle und dem gedruckten Gerät bewegt und das Licht daran hindert, die Flüssigkeit innerhalb der Wände eines Kanals zu verfestigen. damit das Rinnendach dann separat auf die Geräteoberseite aufgesetzt werden kann. Das im Kanal verbleibende Restharz wäre noch in flüssigem Zustand und kann dann nach dem Druckvorgang zur Bildung des Kanalraums ausgespült werden.

Mikrofluidische Geräte haben zunehmend wichtige Anwendungen in der medizinischen Forschung, Arzneimittelentwicklung und Diagnostik.

„Es gibt so viele Anwendungen für mikrofluidische Kanäle. Sie können eine Blutprobe durch den Kanal fließen lassen und sie mit anderen Chemikalien mischen, sodass Sie beispielsweise feststellen können, ob Sie COVID oder einen hohen Blutzuckerspiegel haben“, sagte Chen.

Er sagte, die neue 3D-Druckplattform mit ihren Kanälen im Mikromaßstab ermögliche andere Anwendungen wie die Partikelsortierung. Ein Partikelsortierer ist eine Art mikrofluidischer Chip, der Kammern unterschiedlicher Größe verwendet, die Partikel unterschiedlicher Größe trennen können. Dies könnte erhebliche Vorteile für die Krebserkennung und -forschung bieten.

„Tumorzellen sind etwas größer als normale Zellen, die etwa 20 Mikrometer groß sind. Tumorzellen könnten über 100 Mikrometer groß sein“, sagte Chen. „Im Moment verwenden wir Biopsien, um nach Krebszellen zu suchen, Organe oder Gewebe von einem Patienten zu schneiden, um eine Mischung aus gesunden Zellen und Tumorzellen freizulegen. Stattdessen könnten wir einfache mikrofluidische Geräte verwenden, um (die Probe) durch genau bedruckte Kanäle zu fließen Höhen, um Zellen in verschiedene Größen zu trennen, damit wir nicht zulassen, dass diese gesunden Zellen unsere Erkennung stören.

Chen sagte, das Forschungsteam sei gerade dabei, eine Patentanmeldung für das neue 3D-Druckverfahren einzureichen, und strebe eine Zusammenarbeit an, um die Herstellungstechnik für medizinische Testgeräte zu kommerzialisieren.