Ein Game Changer für mikrofluidische Testobjekte

Mikrofluidische Geräte sind kleine Testobjekte, die aus kleinen Kanälen bestehen, die in in einen Chip geschnitzt sind. Sie können verwendet werden, um die Eigenschaften verschiedener Flüssigkeiten, Partikeln oder Zellen auf mikroskopischen Level zu testen. Sie sind für die Medikamentenentwicklung, diagnostische Tests und medizinische Forschung unerlässlich, die Herstellung dieser Geräte ist allerdings sehr aufwändig, da viel Handarbeit benötigt wird, um die kleinen, detaillierten Kanäle in den Chip zu gravieren. Obwohl der 3D-Druck bereits viele Verbesserungen für derartige Prozesse gebracht hat, waren bisherige Verfahren nicht empfindlich genug, um die Schichten detailliert genug zu drucken. Durch eine neue Technologie soll diesem Problem jedoch Abhilfe geschaffen werden.

Forscher der USC Viterbi School of Engineering haben es jedoch geschafft ein neues, auf derartige Drucke spezialisiertes, Verfahren zu entwickeln, welches das Potential hat den Produktionsprozess um vieles zu erleichtern. Die Arbeit, die von dem Daniel J. Epstein Department of Systems Engineering Ph.D. Absolventen Yang Xu und dem Professor für Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau und Industrial und Systems Engineering Yong Chen geführt wurde und in Zusammenarbeit mit dem Professor für Chemieingenieurswesen und Materialwissenschaften Noah Malmstadt und dem Professor Huachao Mao von der Purdue University enstand, wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Das Team hat eine spezielle Technologie namens vat Polymersation angewendet, bei der Licht genutzt wird, um Harze von einem Flüssigen in einen festen Zustand zu bringen.

“Nach der Bestrahlung lässt sich praktisch entscheiden wo Teile (auf dem Chip) gebaut werden sollen, und weil wir Licht nutzen, kann die Auflösung recht hoch sein innerhalb einer Schicht. Aber, die Auflösung ist schlechter zwischen den Schichten, was eine kritische Herausforderung beim Bau mikroskopische Kanäle ist. Dies ist das erste Mal, dass es möglich war eine Kanalhöhe von 10 micron Level zu drucken; und es lässt sich relativ genau kontrollieren, mit einer Fehlerquote von plus oder minus einem MiKron. Dies ist etwas, dass niemals getan wurde, also ist es ein wahrer Durchbruch beim drucken von kleinen Kanälen,” sagte Chen.

Bei der vat Polymersation wird ein Tank mit Photopolymer Harz gefüllt und dann gezielt mit Ultraviolettem Licht bestrahlt, wodurch das Harz ausshärtet und somit Schicht für Schicht ein Objekt aufgebaut wird. Währenddessen wird die Druckplattform hoch- und runtergefahren, damit zusätzliche Schichten aufgebaut werden können.

Das bisher größte Problem war allerdings, dass das UV Licht oft zu tief in das flüssige Harz eindringt und damit zu viel von dem Material ausgehärtet wird. Dadurch können kleine Kanäle, wie sie bei mikrofluidischen Geräten benötigt werden, meist nur mit Verstopfungen gedruckt werden, wodurch das Gerät unbrauchbar wird.

“Wenn man Licht projeziert, will man, im Idealfall, nur eine Schicht der Kanalwand behandeln und den Rest des flüssigen Harzes unberührt in dem Kanal lassen; aber es ist schwer die Behandlungstiefe zu kontrollieren, weil das Ziel eine Lücke von nur 10 Microns ist,” sagte Chen.

Laut Chen sind derzeiteige kommerzielle Prozesse nur bei der Entwicklung von einer Kanalhöhe von 100 Microns mit geringer Genauigkeitskontrolle zugelassen, weil das Licht die behandelten Schichten zu tief durchdringt, außer es wird ein undurchsichtiges Harz verwendet, das weniger Lichtdurchlässig ist.

“Aber Mikrofluidischen Kanälen werden normalerweise unter dem Mikroskop kontrolliert, und wenn diese undurchsichtig sind, kann das Material innerhalb des Drucks nicht gesehen werden, also muss transparentes Harz verwendet werden,” sagte Chen.

Damit diese Kanäle genau gedruckt werden, hat das Team ein einzigartige unterstützende Plattform entwickelt, die sich zwischen der Lichtquelle und dem Durckobjekt bewegt. Dadurch werden die Wände innerhalb eines Kanals davon abgehalten auszuhärten, so dass die Decke des Kanals später separat hinzugefügt werden kann. Das überschüssige Harz ist somit noch in einem flüssigen Zustand und kann einfach ausgespült werden.

Eine Demonstation der Plattform ist in diesem Video des USC Viterbi Forschungsteams zu sehen.

“Es gibt viele Anwendungen für mikrofluidische Kanäle. Blutproben können durch die Kanäle fließen, wobei sie mit anderen Chemikalien vermischt werden, um fegststellen zu können, ob jemand COVID oder einen hohen Blutzuckerspiegel hat,” sagte Chen.

Laut dem Forscher ist die Plattform auch einsetzbar für andere mikroskopische Anwendungen, beispielweise der Sortierung von Partikeln. Ein Partikelsortierer ist ein mikrofluidischer Chip, der verschieden Große Kammern hat, in die verschieden Große Partikel sortiert werden können. Durch die Verbesserung dieses Vorgehens profitiert unter Anderem auch die Krebsforschung immens.

“Tumorzellen sind ein bisschen größer als normale Zellen, welche um die 20 Mikrons groß sind. Tumorzellen können über 100 Mikrons groß sein. Derzeit benutzt man Biopsien um auf Krebszellen zu testen; Organe oder Haut von einem Patienten abschneiden, um den Misch aus Gesunden- und Tumorzellen zu erforschen. Stattdessen könnten einfache mikrofluidische Geräte verwendet werden, um die Probe durch genau gedruckte Höhen in verschieden große Zellen zu unterteilen, damit die gesunden Zellen nicht die Untersuchung stören,” sagte Chen.

Laut Chen läuft derzeit ein Verfahren zur Patentierung der neuen Druckmethode und das Team sucht nach Partnern um eine Kommerziallisierung der Verfahrenstechnologie für Medizinische Testprodukte voranzutreiben.