3Dプリント液滴エマルジョンマイクロ流体チップ

出典: Additive Light

論文「Ninjaflex フィラメントを使用して液滴エマルジョン製造を可能にするマイクロ流体チップの 3D 印刷」では、アーカンソー大学の Robert Andrews 氏が卒業論文プロジェクトと学位論文のために新しいマイクロ流体システムを印刷しました。 NinjaFlex フィラメントを使用したこのプロセスは、液滴エマルジョンとバイオメディカル (バイオ MEMS) プロジェクトを中心に行われました。

ドロップエマルジョン法<br /> このプロジェクトのもう一つの主要要素は、小型化（テクノロジーをより小さな環境に縮小すること）を追求しながら、次のような利点を持つラボオンチップを開発することです。
• 必要なサンプルサイズを減らす
• 研究室プロセスの応答時間の短縮
•研究室のプロセスのモビリティの向上

ラボオンチップのシナリオでは、規模は約 10 ～ 1000 ミクロンですが、このような環境を製造するための一般的なプロセスの多くは時間がかかり、コストもかかります。そのため、3D プリントは小型化に非常に魅力的な媒体となっています。アンドリュース氏は、適切な流体の流れが必要であり、それが圧力勾配または柔軟な膜を横切って発生し、マイクロ流体チャネルに沿って流れなければならないと指摘しています。

「ダイヤフラムの材質と厚さに応じて、一定の流量を達成するために必要な圧力と周波数は異なります」とアンドリュース氏は言います。「ちなみに、これらのダイヤフラムは、マイクロチャネルの幅を変更するために使用することも、圧力が特定の臨界値（ダイヤフラムの変位がマイクロ流体チャネルの直径に等しくなるほどの圧力）を超えたときにチェックバルブとして使用することもできます。」

アンドリュースは卒業論文プロジェクトで、マイクロチップを設計しながら、印刷プロセスの限界についても調査していました。マイクロ流体液滴分離器は、血液モニタリング（凝固用）、食品安全性のための化学検査、新薬の創薬など、さまざまな用途に役立ちます。著者らはまた、従来の方法と比較して、NinjaFlex フィラメントを使用してシステムを作成することがいかに有益であったかについても指摘しました。

「ABS ではなく NinjaFlex フィラメントで 3D プリントすると、マイクロ流体システムを生成するという特定の用途に固有の利点があります。NinjaFlex フィラメントのヤング率は 12 MPa ですが、ABS のヤング率は 2.05 GPa です。このため、ABS は NinjaFlex よりも約 170 倍硬いことになります」とアンドリュース氏は書いています。

「この剛性の低減は、流体の流れを生成するためにアクチュエータを曲げる必要がある可能性のあるマイクロ流体システムの製造に有益です。Ninjaflex でたわみを生成するために必要な圧力は、幾何学的に類似した ABS サンプルで同じたわみを生成するために必要な圧力よりもはるかに低くなります。」

アンドリュース氏は「試行錯誤」を通じて、チップ製造に最適な印刷パラメータを見つけることができた。チップの設計に関しても、大きな詰まりの欠陥に関する懸念がいくつかあり、最初の印刷は次のような点で少し粗雑でした。
• 印刷品質が歪んでいる
• 出口の閉塞
• チップが厚すぎる
• 目に見えるマイクロチャネルやダイヤフラムがない

「3D プリンター自体に関しては、この押出機温度では詰まりが頻繁に発生することが分かりました」と著者らは述べています。「そのため、温度を 250 度に上げました。この押出機温度では詰まりの頻度が大幅に減りました。次の反復での設計変更に関しては、チップの上部がパーツファイルから削除され、チャネルが上から見えるようになりました。マイクロチップの上部は Ninjaflex ではなくガラスチップで覆われました。」

アングルジャンクションバージョン 3 チップは、緑色の食品着色料で着色された水がフィルター処理され、チャネルが詰まらないようにするため、液滴乳化に使用される最初のチップです。マイクロチャネルは緑色に変わったが、アンドリュース氏はフィラメントとガラスの結合があまり良くなかったと指摘した。水はチップから漏れ出し、最終的に基板から分離します。

マイクロチップの最初のプリントの底面図改良を続けた後、アンドリュースはオイル側の圧力を同じレベルに維持しながら流量を減らすことができました。その後、一定の間隔で「均一なサイズ」の液滴が生成されます。

左側の油滴は、油側圧力 2.5 psi、水流量 25 μl/分で形成されました。

「マイクロチップの最終設計を改善するには、いくつかの方法があります。まず、チャネルの直径を小さくして液滴のサイズを小さくすることができます。ただし、チャネルを小さくしすぎて詰まってしまうようなことは避けてください。また、出口チャネルの両側に膜を実装することもできます。これらの膜を作動させることで、マイクロチャネルの寸法を変えて、液滴のサイズを正確に制御することができます。チップを厚くして、フィッティングがつかむ表面を増やすこともできます」とアンドリュースは結論付けています。

「実験の全体的な設計も改善の余地があります。圧力源として窒素タンクを使用するよりも、シリンジポンプを使用する方がオイルの流れを生成するのに適しています。オイルのポンプにはそれほど大きな圧力は必要ありませんし、窒素タンクは信頼性が高く一貫したオイルの流れを生成するのに十分な精度がありません。」

将来の研究と産業革新はさまざまな形で現れますが、おそらく私たちの多くが想像するものとは異なるでしょう。たとえば、フローチャネルの小型化から連続フローリアクターまで、小型化はより一般的になりつつあり、小型化とマイクロ流体工学のためのさまざまな材料とプロセスも普及しています。

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