Forscher erkunden 3D-Drucktechniken zur Verbesserung benutzerdefinierter Tröpfchengeneratoren

Forscher in Singapur haben kürzlich ihre Erkenntnisse zu neuen Fertigungstechniken in „3D printed fittings and fluidic modules for customizable droplet generators“ vorgestellt.

Sindhu Vijayan und Michinao Hashimoto von der Singapore University of Technology and Design haben ein Projekt gestartet, um maßgeschneiderte Tröpfchen im 3D-Druck zu erzeugen, die High-Tech-Fertigungsprozesse in den chemischen und biologischen Wissenschaften fördern. Dazu gehören:

• analytischen Chemie
• Materialsynthese
• entwickelt Wirkstoffabgabe
• biologische Assays
• Bildgebung
• Lebensmittelchemie

Mikrofluidische Tropfengeneratoren wurden häufig verwendet, um stark kontrollierte und monodisperse Tropfen mit unterschiedlichem Komplexitätsgrad zu erzeugen.
Während dieses Vorstosses zur Herstellung von Tröpfchen-Mikrofluidik verwendete das Team Armaturen, die mit kommerziell hergestellten Nadeln und Tuben 3D-gedruckt wurden. In den letzten Jahren wurden Tröpfchengeneratoren durch weiche Lithographie, 3D-Druck oder eine kostengünstige Grundmontage von Fluideinheiten hergestellt. In der Vergangenheit hatte jeder Prozess seine Herausforderungen. Heute liegt das Haupthindernis jedoch in der Erzeugung von Tropfengeneratoren, die eine vielseitige Flexibilität in Bezug auf Größe und Komplexität von Emulsionen bieten.

Es wurden Tröpfchen mit unterschiedlichen Durchmessern hergestellt, indem die Standardnadeln durch 3D-gedruckten Module und Teile mit kleineren Abmessungen gewechselt wurden. Der minimale Tropfendurchmesser betrug 332 ± 10 μm für 34 G (ID = 60 μm). Dies ermöglichte größere Mikrokanäle und bessere fluidische Verbindungen – alles in einem Plug-and-Play-Gerät -, was zu Hochleistungsemulsionen führte. Die Stabilität der Tröpfchenproduktion wurde durch ihre neue Methode erreicht, die einfacher ist, eine bessere Auflösung in den Kanälen und eine bessere Anpassung ermöglicht.

(a) Optische Mikrobilder, die die kontrollierte Erzeugung von W/O-Emulsionen zeigen, wobei drei verschiedene Dosiernadeln mit unterschiedlichen IDs verwendet werden. (b) Ein Diagramm, das den Durchmesser von Tröpfchen zeigt, der für drei verschiedene Dosiernadeln gegen Qc bei Qd = 10 μL min-1 erhalten wurde. Die dispergierte Phase bestand aus 1% v/v blauem Farbstoff in Wasser und die kontinuierliche Phase betrug 2% v/v Span 80 in Hexadecan. Skalenleiste = 600 μm.

Die Produktion war für die Forscher aufgrund ihres neuen modularen Ansatzes einfacher:

„Starre Formstücke, die durch 3D-Druck hergestellt wurden, wurden leicht mit anderen Modulen zusammengebaut, während die Elastizität der Röhre naturgemäß einen konformen Kontakt zur Vermeidung von Flüssigkeitsleckagen bereitstellt“, sagten die Forscher. „Abgesehen von der Verbindung verschiedener Module waren keine zusätzlichen Schritte erforderlich, um die Durchflussfokussiereinrichtung herzustellen. Das 3D-gedruckte Fitting wurde mit großen Hohlräumen konstruiert, so dass im Gegensatz zu vollständig 3D-gedruckten Geräten mit eingebetteten Mikrokanälen keine Harzverstopfung auftreten sollte.“

Das Team verwendete AutoCAD 2016 für das Design der Hochleistungsarmaturen, die mit Formlabs Clear Harz auf einem Formlabs Form 2 gedruckt wurden. Für die Nachbearbeitung wurde eine Isopropanol-Wäsche zur Entfernung von Harzresten geschaffen. Sie erzielten auch eine bessere Auflösung durch Verwendung von Standardnadeln, insbesondere solche mit kleineren Innendurchmessern als die Kanalbreiten.

Zu den Anpassungsfunktionen gehört auch die einfache Verwendung mehrerer Geräte sowie anderer 3D-gedruckter Formstücke wie Y-Kanäle. Sie waren auch in der Lage, die Größe der Tröpfchen einfach durch abwechselnde Nadeln zu verändern. Die Module ermöglichten eine Vielzahl unterschiedlicher Emulsionen mit zwei Generationen, die den Fluss beeinflussen und eine doppelte Erzeugung erzeugen. Januspartikel (kolloidale Partikel, die sich in der Oberflächenchemie und -größe unterscheiden) wurden ebenfalls über einen laminaren Fluss mit zwei verschiedenen Flüssigkeiten erzeugt.

„Die von uns entwickelte Fertigungsmethode bietet mehrere Eigenschaften, die die bestehenden Methoden zur Herstellung von strömungsfokussierenden Generatoren ergänzen. Wir nutzten genau definierte, kleine Merkmale, die von standardisierten Materialien (d. H. Nadeln und Schläuchen) angeboten wurden, die bei Desktop-3D-Druckern nicht erreichbar waren. Ein 3D-bedrucktes Fitting fügte den Weg hinzu, um die Konfiguration der Mehrphasenströmungen (d. H. Konzentrisch und kollaminar) zu gestalten, um die Erzeugung beabsichtigter Emulsionen zu erreichen. Da die Herstellung auf einfache Art und Weise durch Plug-and-Play erfolgen kann, glauben wir, dass die von uns in dieser Arbeit entwickelte Methode auch für Nicht-Experten von Nutzen ist, um Emulsionen mit mikrofluidischen Geräten für verschiedene Anwendungen zu erzeugen“, folgerten die Forscher.

Das Paper wurde von Sindhu Vijayan und Michinao Hashimoto verfasst.