US-Forscher an der USC Viterbi School of Engineering haben eine 3D-Druck-Methode für die Herstellung mikrofluidischer Chips für biomedizinische Anwendungen entwickelt. Diese ermöglicht die Fertigung mikrofluidischer Chips in bisher nicht möglichem Mikromaßstab. Wir stellen die Arbeit der Forscher vor.

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Unter Verwendung der Wannen-Photopolymerisationstechnologie ist es Forschern an der Viterbi School of Engineering der University of Southern California laut einer Pressemitteilung gelungen, eine hoch spezialisierte 3D-Druck-Technik zu entwickeln, die den 3D-Druck mikrofluidischer Kanäle auf Chips in einem präzisen Mikromaßstab ermöglicht. Mikrofluidische Geräte sind kompakte Testwerkzeuge aus winzigen Kanälen, die in einen Chip geschnitzt wurden. Forscher können damit Eigenschaften von Flüssigkeiten, Partikeln und Zellen im Mikromaßstab testen. Derartige Chips werden in der Arzneimittelentwicklung, bei diagnostischen Tests und der medizinischen Forschung genutzt. Im Juni 2020 haben Forscher der Montana State University (MSU) ein Verfahren vorgestellt, mit dem sie Mikrofluidikgeräte auf Glassubstrat mit einem 3D-Drucker herstellen können.

Details zum 3D-Druck mikrofluidischer Kanäle auf Chips

Mikrofluidische Geräte herzustellen ist mit bisherigen, konventionellen Methoden sehr arbeitsintensiv. Winzige Kanäle und Vertiefungen wurden zum Testen oft manuell geätzt oder in einen transparenten Harzchip gegossen. Die meisten 3D-Druck-Techniken waren nicht empfindlich genug, um Schichten mit den kleinsten Details aufzubauen, die für mikrofluidische Geräte erforderlich sind.

Yong Chen, Professor für Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau sowie Industrie und Systemtechnik von der Viterbi School of Engineering, sagte:

„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 eine entscheidende Herausforderung beim Bau von Kanälen im Mikromaßstab darstellt. Dies ist das erste Mal, dass wir etwas drucken können, bei dem die Kanalhöhe 10 Mikrometer beträgt und wir können es wirklich genau steuern, auf einen Fehler von plus oder minus einem Mikrometer. Das ist etwas, das noch nie zuvor gemacht wurde, also ist dies ein Durchbruch im 3D-Druck von kleinen Kanälen.“

Beispiel mikrofluidischer Chip
Forscher entwickelten eine neue Methode für den 3D-Druck von mikrofluidischen Chips (im Bild: Beispiel für solch einen Chip)(Bild © Yang Xu).

Die Wannen-Photopolymerisation hat bei mikrofluidischen Geräten einige Nachteile bei der Herstellung der auf dem Chip erforderlichen winzigen Vertiefungen und Kanäle. Die UV-Lichtquelle dringt oft in das restliche flüssige Harz ein, härtet und verfestigt Material innerhalb der Wände der Kanäle des Geräts, wodurch es verstopfen könnte.

Chen sagt:

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

Die derzeitigen kommerziellen Prozesse lassen laut den Forschern die Schaffung einer Kanalhöhe auf dem 100-Mikrometer-Niveau nur mit schlechter Genauigkeitskontrolle zu. Das Licht dringt zu tief in eine ausgehärtete Schicht ein. Undurchsichtiges Harz wäre eine Alternative, da diese nicht so viel Lichteinfall zulässt.

Hilfsplattform

Chen erklärt:

„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.“

Eine Hilfsplattform, die sich zwischen der Lichtquelle und dem gedruckten Gerät bewegt, hindert das Licht daran, die Flüssigkeit innerhalb der Wände eines Kanals zu verfestigen. Das soll dabei helfen, Kanäle in klarem Harz im Mikromaßstab zu erzeugen. Das Rinnendach kann dann separat auf die Geräteoberseite aufgesetzt werden. Das Restharz verbleibt im flüssigen Zustand und kann nach dem Druckvorgang zur Bildung des Kanalraums ausgespült werden. Die Forscher planen eine Patentanmeldung für das neue 3D-Druckverfahren und wollen ihre Herstellungstechnik für medizinische Testgeräte kommerzialisieren.

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