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Mikrofluidik ist die Manipulation und Untersuchung von submikroskopischen Litern von Flüssigkeiten. Technologien, die Mikrofluidik einsetzen, finden sich in vielen multidisziplinären Bereichen, von Ingenieurwissenschaften bis Biologie. Experimente können mit einer Vorrichtung durchgeführt werden, die ungefähr die Größe einer Dollarmünze hat, wodurch die Menge der verwendeten Reagenzien, die erzeugten Abfälle und die Gesamtkosten verringert werden. Experimente können präzise im Mikromaßstab durchgeführt werden, was kürzere Reaktionszeiten und eine verbesserte Kontrolle über die Reaktionsbedingungen ermöglicht.
Derzeitiger Goldstandard für die Herstellung von Mikrofluidikgeräten ist die Softlithographie, bei der Elastomermaterialien auf eine in einem Reinraum hergestellte Form gegossen werden. Trotz vieler wünschenswerter Eigenschaften zur Herstellung von Mikrofluidikkanälen ist die Softlithographie jedoch ein manueller Prozess, der schwer zu automatisieren ist. In der Regel hat die Softlithografie einen Zyklus von wenigen Tagen vom Entwurf bis zum Prototyp.
Der 3D-Druck erwies sich als attraktive Alternative zur Softlithografie. 3D-Drucker können nicht nur Design in der Größenordnung von Stunden in tatsächliche Prototypen verwandeln, sondern die kürzlich eingeführten kostengünstigen 3D-Drucker machen den 3D-Druck für Forscher allgemein zugänglicher. Gegenwärtige 3D-Drucktechnologien zur Herstellung von Mikrofluidikvorrichtungen weisen einige Einschränkungen auf, nämlich:
- verfügbare Materialien für den 3D-Druck (z. B. optische Transparenz, Flexibilität, Biokompatibilität),
- erreichbare Abmessungen von Mikrokanälen mit handelsüblichen 3D-Druckern,
- Integration von 3D-gedruckter Mikrofluidik mit funktionellen Materialien oder Substraten.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, haben Forscher des Soft Fluidics Lab der Singapore University of Technology and Design (SUTD) eine alternative Methode für den 3D-Druck zur Herstellung von Mikrokanälen entwickelt. Die Forscher verwendeten DIW-3D-Druck (Direct Ink Writing) von schnell aushärtendem Silikondichtmittel, um Mikrofluidikvorrichtungen schnell auf verschiedenen Substraten (z. B. Glas, Kunststoff und Membranen) herzustellen. Das Design der Fluidkanäle wird durch die gemusterte Silikondichtung bestimmt, während die oberen und unteren transparenten Substrate zur Abdichtung der Kanäle dienen. Durch die Verwendung transparenter Substrate können die Forscher den Kanal mit einem Mikroskop abbilden. Dieses Verfahren ermöglicht auch die Herstellung von Mikrofluidikkanälen mit dynamisch einstellbaren Abmessungen, die als kleine Kanäle sowie als einstellbare Strömungswiderstände dienen.
“Durch die Kontrolle des Abstands zwischen dem oberen und unteren Substrat konnten wir die Kanalbreite präzise auf etwa 30 Mikrometer reduzieren. Diese laterale Dimension der Kanäle wäre schwierig zu erreichen, wenn handelsübliche 3D-Drucker verwendet würden”, sagte der Hauptautor Terry Ching, Absolvent der SUTD-Säule für technische Produktentwicklung.
“Unser Ansatz, den DIW-3D-Druck anzuwenden, ermöglicht die direkte Strukturierung von Mikrokanälen im Wesentlichen auf jedem flachen Substrat”, sagte der Hauptforscher des Projekts, Professor Michinao Hashimoto.
Das Team demonstrierte auch die einfache Strukturierung von Silikonbarrieren direkt auf einer handelsüblichen Leiterplatte (PCB), wobei sofort Elektroden in die Mikrokanäle integriert wurden, die als Echtzeit-Durchflusssensoren fungieren würden. Es wurde eine schnelle Integration von semipermeablen Membranen in Mikrokanäle zur Kultivierung von Keratinozyten-Zellen gezeigt.
