Konventionella tillverkningsmetoder som mjuk litografi och varmpräglingsprocesser kan användas för att biokonstruera mikrofluidchip, om än med begränsningar, inklusive svårigheter att förbereda flerskiktsstrukturer, kostnads- och arbetskrävande tillverkningsprocesser samt låg produktivitet.
Materialforskare har introducerat digital ljusbearbetning som en kostnadseffektiv mikrotillverkningsmetod för 3D-utskriftsmikrofluidchip, även om tillverkningsupplösningen för dessa mikrokanaler är begränsad till en skala på under 100 mikron.
I en ny rapport publicerad i Microsystems and Nanoengineering , Zhuming Luo och ett forskarteam inom biomedicinsk teknik och kemiteknik i Kina utvecklade en innovativ digital ljusbearbetningsmetod.
De föreslog en modifierad matematisk modell för att förutsäga UV-bestrålning för hartsfotopolymerisation och vägledde tillverkningen av mikrokanaler med ökad upplösning. Den avancerade mikrotillverkningsmetoden kan underlätta stora utvecklingar inom exakt och skalbar mikrokanalbildning som ett viktigt nästa steg för utbredda tillämpningar inom mikrofluidikbaserade strategier inom biomedicin.
Mikrofluidikchipsen erbjuder ett kraftfullt verktyg för att miniatyrisera applikationer i 3D-cellkultur för läkemedelsscreening och testapplikationer och organ-på-ett-chip-analyser. Konventionella metoder för att utveckla mikrofluidchip inkluderar mjuk litografi och varmkapillärtillverkning med en komplicerad ingenjörsprocess, låg produktivitet och höga kostnader.
3D-bioprinting har fått ökad uppmärksamhet för att innovativt designa och tillverka skräddarsydda strukturer i mikroskala. Materialforskare har använt digital ljusbearbetning för lager-för-lager karfotopolymerisation för att mikrotillverka med upplösningar upp till tiotals mikrometer med snabb bearbetningshastighet och enkel funktion.
I detta arbete utvecklade Luo och kollegor en ny digital ljusbearbetningsmetod för högupplöst och uppskalningstillverkning av mikrofluidiska enheter genom dosering och zonindelning av karpolymerisation. Teamet finjusterade utskriftsparametrarna och andra parametrar för att exakt skräddarsy fotopolymerisationen av intilliggande hartslager och undvika kanalblockering på grund av överdriven UV-exponering.
Jämfört med konventionella metoder tillät processen utveckling i en sats av upp till 16 mikrofluidchips. Den nuvarande metoden kan underlätta stora framsteg inom exakt och skalbar mikrokanalutveckling som ett betydande steg framåt för mikrofluidikbaserade enheter inom biomedicin.
Teamet reglerade UV-bestrålningsdosen genom att applicera stegvis UV för att polymerisera hartset lager för lager med hjälp av en matematisk modell. Vid UV-bestrålning under en viss exponeringstid polymeriserade forskarna ett specifikt djup av hartslösningen. Sedan, med hjälp av den matematiska modellen, bestämde de en omfattande metod för att beräkna tröskeln för hartspolymerisation. Tryckvägen som ingår i verket delade mikrokanalen exakt i bottenskiktet, kanalskiktet och takskiktet.
Baserat på resultaten föreslog forskarna en modifierad version av digital light process (DLP) utskriftsstrategi för att tillverka väsentligen små mikrokanaler genom doserings- och zoneringsreglerad karfotopolymerisation (förkortat DZC-VPP). Denna process delade upp mikrokanalerna i flera lager. Kapaciteten att reglera zonerna för varje projektionssteg möjliggjorde den exakta regleringen av lokal hartspolymerisation, forskarna har framgångsrikt skrivit ut kanalerna med betydligt högre upplösning.
Teamet studerade utskriftskvaliteten för den nya metoden genom att jämföra den med den konventionella metoden. Medan den konventionella metoden ledde till dålig kvalitet hos kanaler på grund av ackumulering av överdriven UV-exponering, erbjöd den nya metoden kontrasterande mikrokanaler med avsevärt förbättrad utskriftssäkerhet för att möjliggöra utvecklingen av jämnare inre ytor inom mikrokanalerna med betydande inverkan på vätskemanipulation. DZC-VPP-metoden är dessutom mycket skalbar och kostnadseffektiv.
Mekanisk stabilitet hos de utvecklade materialen
Luo och kollegor undersökte sedan den mekaniska stabiliteten hos de mikrofluidiska enheterna konstruerade med den nya DZC-VPP-metoden och jämförde den igen med den konventionella processen. Även om mekanisk stabilitet är avgörande för att mikrofluidchipsen ska tolerera högt vätsketryck, visade de två materialen liknande spännings-töjningskurvor.
Det DZC-VPP-tillverkade chippet visade signifikant högre brottspänning och töjning jämfört med DLP-chippet, vilket indikerar att den nya strategin förbättrade både utskriftsupplösning och mekanisk stabilitet hos de konstruerade mikrofluidchipsen.
För att åstadkomma mikrofluidisk generering av droppar använde forskarna rent vatten som vattenfasen och en olje-glykolemulsion för att skapa monodispersa vattendroppar. Teamet kapslade in cellerna med mikrogeler i de tillverkade chipsen genom att använda alginatsystemet. För att förhindra cytotoxicitet i instrumentet testade forskarna chipsens biokompatibilitet med hjälp av cellladdade mikrogeler.
Både HeLa-celler och mesenkymala celler från råtta som användes i studien behöll cellviabiliteten efter inkapsling för att gradvis föröka sig till cellkluster, vilket indikerar den biovänliga naturen hos den DZC-VPP-konstruerade mikrofluidanordningen. Metoden är också bäst lämpad för andra cellrelaterade applikationer inklusive utveckling av organ-på-ett-chip-instrument.
Jämfört med den konventionella digitala ljusutskriftsprocessen kan den nyare DC-VPP-metoden reglera UV-penetrationsdjupet för hartsfotopolymerisation. Resultaten framhävde tillförlitligheten hos den nya processen för högupplöst utskrift för att tillverka 3D-utskrivna mikrofluidchips.
På detta sätt utvecklade Zhuming Luo och forskargruppen en ny doserings- och zoneringsreglerad karfotopolymerisationsmetod (förkortad DZC-VPP) för att 3D-skriva ut mikrokanaler med förbättrad upplösning och mekanisk stabilitet. Teamet åstadkom detta genom att föreslå en matematisk modell för att förutsäga den ackumulerade UV-strålningen för hartspolymerisation som en guide för att designa och skriva ut mikrokanalerna.
Med hjälp av metoden skrev teamet ut en mikrokanal med konventionell mjuk litografi eller varmprägling för att generera monodispersa droppar med hög genomströmning och cellladdade mikrogeler. Denna mycket effektiva metod för mikrotillverkning representerar ett nyckelsteg för högupplöst, uppskalad tillverkning av mikrofluidiska enheter för utbredda tillämpningar.
Mer information: Zhiming Luo et al, Digital ljusbearbetning 3D-utskrift för mikrofluidchip med förbättrad upplösning via doserings- och zonindelningskontrollerad karfotopolymerisation, Microsystems &Nanoengineering (2023). DOI:10.1038/s41378-023-00542-y
Fei Shao et al, Microfluidic Encapsulation of Single Cells by Alginate Microgels Using a Trigger-Gellified Strategy, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology (2020). DOI:10.3389/fbioe.2020.583065
Journalinformation: Mikrosystem och nanoteknik
© 2023 Science X Network
