Introducerades först på 1980-talet, stereolitografi (SL) är en additiv tillverkningsprocess som skriver ut 3D-objekt genom selektiv härdning av flytande polymerharts med hjälp av en ultraviolett (UV) ljuskälla på ett lager-för-lager-sätt. Polymeren som används genomgår en fotokemisk reaktion som förvandlar den från flytande till fast när den utsätts för UV-belysning. I dag, SL utses som en av de mest exakta formerna av 3D-utskrift som är tillgänglig för konsumenter, med skrivbordsmodeller (t.ex. varianter av flytande kristaller) som kostar så lite som 300 USD.

SL är ett attraktivt alternativ för forskare inom området mikrofluidik. Den har inte bara förmågan att tillverka mikrofluidiska enheter i ett enda steg från en datorgenererad modell, men det tillåter också tillverkning av verkligt 3D-strukturer som annars skulle ha varit utmanande, om inte omöjligt, med de befintliga tillverkningsmetoderna.

Dock, när man använder SL-skrivare vid utskrift av mikrofluidkanaler, två representativa problem uppstår. För det första, oavsiktlig polymerisation av ohärdat harts i kanalhålrum kan inträffa. Under tryckningen, det flytande hartset är fångat i kanalens tomrum. Belysning från efterföljande lager kan oavsiktligt bota det instängda flytande hartset, vilket kommer att resultera i en kanalstopp.

För det andra, i händelse av att oavsiktlig polymerisation av harts inte inträffar, evakueringen av det fångade hartset i kanalens tomrum kan fortfarande vara en utmaning. Detta beror på att befintligt flytande harts är trögflytande (dvs. konsistens som honung), gör evakueringen av smala kanaler eller nätverk med flera grenar utmanande. Dessa två utmaningar begränsar möjligheten att uppnå kanaldimensioner och komplexitet i fluidiska nätverk tryckta av SL.

För att hantera dessa begränsningar, forskare från Singapore University of Technology and Design (SUTD) i samarbete med biträdande professor Toh Yi-Chins forskargrupp från National University of Singapore, utvecklat en designansats som kan förbättra de uppnåbara kanaldimensionerna och komplexiteten hos nätverk med befintliga SL (se bild).

"Det konventionella sättet att skriva ut mikrofluidiska enheter med SL-skrivare är att skriva ut hela enheten som en monolitisk enhet. problem som oavsiktlig polymerisation av tomrum i kanalen och svårigheter att evakuera tomrum i kanaler uppstår från utskrift som en monolitisk enhet, " förklarade chefsutredaren biträdande professor Michinao Hashimoto från Engineering Product Development, SUTD.

Istället, forskarna tog en modulariseringsmetod – där de spatialt dekonstruerade en mikrofluidisk kanal till enklare underenheter, skrev ut dem separat, och sedan monterade dem för att bilda mikrofluidiska nätverk. Genom att tillämpa detta tillvägagångssätt, de kunde skriva ut mikrofluidiska nätverk med större intrikata (som hierarkisk förgrening) och mindre kanaldimensioner.

"Genom design, varje subenhet är rumsligt dekonstruerad för att ha enkla geometrier som inte skulle resultera i oavsiktlig polymerisation. De enkla geometrierna underlättade också evakueringen av ohärdat harts, " sa huvudförfattaren Terry Ching, en doktorand från SUTD.

Teamet kunde tillverka en rad flytande nätverk som var utmanande att skriva ut med konventionella metoder. Deras demonstration inkluderar hierarkiska förgreningsnätverk, rätlinjiga gitternätverk, spiralformade nätverk, etc. De kunde också visa effektiviteten av deras tillvägagångssätt genom att visa en betydande förbättringskanaldimensioner (dvs. kanal w =75 μm och h =90 μm) jämfört med att använda den konventionella "monolitiska" utskriftsmetoden.

Ett uppenbart användningsfall är tillämpningen av detta tillvägagångssätt för att tillverka vätskenätverk med användning av hydrogel för att efterlikna naturlig kärlstruktur. Hittills, utbudet av SL-utskrivbara hydrogeler är begränsat, och de saknar ofta mekaniska egenskaper som är nödvändiga för ett exakt tryck eller biokompatibilitet som krävs för inkorporering av levande celler. Genom att förenkla geometrierna för varje underenhet, teamet använde hydrogel för att tillverka invecklade vätskenätverk, efterliknar naturlig kärl.

"Att förenkla underenheternas geometrier minskar också användningen av tillsatser som kan vara skadliga för biologiska celler, " lade Ching till.

Allt som allt, detta är en generell designstrategi som kan kringgå några av de största utmaningarna inom SL-tryckt mikrofluidik – genom att tillämpa detta tillvägagångssätt, befintliga SL-skrivare kan nu tillverka mikrofluidik med finare kanaldimensioner, och fler förgrenade krångligheter. Denna forskningsartikel har publicerats i Avancerat tekniskt material .