Sol-gelbaserat in-situ direktlaserskrivningskoncept (isDLW). (a – g) Illustrationer av isDLW-tillverkningsprotokollet för ett mikrofluidiskt element tryckt inuti en halv-ovulär mikrokanal. (a) DLW av kanalformformarna. (b) Tillverkad negativ mästermögel. (c) Mikroformning av poly (dimetylsiloxan) (PDMS). (d) Micromolded PDMS bunden till ett glasunderlag. (e) Ättiksyra (Ac.) Syrakatalyserad sol-gelreaktion för beläggning av PDMS-mikrokanalerna med ett vidhäftande lager av (3-Aminopropyl) trietoxysilan (APTES). (f) Vakuumbelastning av ett vätskefasbart härdbart material i de solgelbelagda mikrokanalerna. (g) Processen ”från tak till golv” är DLW. Fokuserade femtosekundlaserpulser (röda) passerar genom en objektivlins, nedsänkningsolja, glasunderlag, och vätskefasfotomaterial för att initiera rumsligt kontrollerad fotopolymerisering (vit) i en punkt-för-punkt, lager-för-lager metodik, slutligen producera en struktur som består av härdat fotomaterial (blått) som är helt förseglat till hela lumininalytan på den solgelbelagda mikrokanalen. (h – m) Mikrografier av (överst) DLW-tryckta negativa masterformar, och (botten) replikerade PDMS-profiler som motsvarar distinkta mikrokanals tvärsnittsgeometrier:h) rektangulär (djup reaktiv jonetsning (DRIE) mimetik), (i) utåt avsmalnande (positiv-ton fotoresist mimetisk), (j) inåt-avsmalnande (negativ-ton fotoresist mimetisk), k) halvcirkulär, (l) halv-ovulär, och (m) triangulär (se även tilläggsbild S1). Skalstänger =100 μm. Kreditera: Vetenskapliga rapporter
Ingenjörer vid University of Maryland (UMD) har skapat det första 3D-tryckta vätskekretselementet så litet att 10 kan vila på bredden av ett människohår. Dioden ser till att vätskor bara rör sig i en enda riktning - en kritisk egenskap för produkter som implanterbara enheter som släpper ut terapier direkt i kroppen.
Mikrofluiddioden representerar också den första användningen av en 3D-nanotryckstrategi som bryter igenom tidigare kostnads- och komplexitetshinder som hindrar framsteg inom områden från personlig medicin till läkemedelsleverans.
"Precis som krympande elektriska kretsar revolutionerade elektronikområdet, förmågan att dramatiskt minska storleken på 3D-tryckta mikrofluidiska kretsar sätter scenen för en ny era inom områden som farmaceutisk screening, medicinsk diagnostik, och mikrorobotik, "sa Ryan Sochol, en biträdande professor i maskinteknik och bioteknik vid UMD:s A. James Clark School of Engineering.
Sochol, tillsammans med doktorander Andrew Lamont och Abdullah Alsharhan, redogjorde för sin nya strategi i ett papper som publicerades idag i open-access journal Natur:Vetenskapliga rapporter .
Forskare har under de senaste åren utnyttjat den nya tekniken för 3D-nanotryck för att bygga medicintekniska produkter och skapa "organ-på-ett-chip" -system. Men komplexiteten i att driva läkemedel, näringsämnen, och andra vätskor till sådana små miljöer utan läckage - och kostnaderna för att övervinna dessa komplexiteter - gjorde tekniken opraktisk för de flesta applikationer som kräver exakt vätskekontroll.
Istället, forskare var begränsade till additiv tillverkningsteknik som skriver ut funktioner betydligt större än den nya UMD -vätskedioden.
"Detta satte verkligen en gräns för hur liten din enhet kan vara, sa Lamont, en bioingenjörsstudent som utvecklade tillvägagångssättet och ledde testerna som en del av sin doktorandforskning. "Trots allt, mikrofluidkretsarna i din mikrorobot kan inte vara större än själva roboten. "
Det som skiljer Clark School-teamets strategi från är användningen av en process som kallas sol-gel, vilket gjorde att de kunde förankra sin diod vid väggarna i en mikroskala kanal tryckt med en vanlig polymer. Diodens lilla arkitektur trycktes sedan direkt inuti kanalen-lager för lager, från toppen av kanalen och ner.
Resultatet är en helt förseglad, 3D-mikrofluiddiod skapad till en bråkdel av kostnaden och på kortare tid än tidigare metoder.
Den starka förseglingen de uppnådde, som skyddar kretsen från kontaminering och säkerställer att all vätska som trycks genom dioden inte släpps ut vid fel tidpunkt eller plats, förstärktes ytterligare genom en omformning av mikrokanalväggarna.
"Där tidigare metoder krävde att forskare offrade tid och kostnader för att bygga liknande komponenter, vårt tillvägagångssätt tillåter oss att i princip ha vår tårta och äta den också, "Sochol sa." Nu, forskare kan 3D-nanoprint komplexa fluidiska system snabbare, billigare, och med mindre arbetskraft än någonsin tidigare. "
