マイクロナノ 3D プリンティング: ハイデルベルク大学 IMSEAM におけるマイクロ流体技術の進歩を推進する重要な原動力

出典: MF Precision

ドイツ最古の大学であり、ヨーロッパで最も集中的な科学研究プロジェクトを実施している機関の1つであるハイデルベルク大学は、2022年に分子システム工学および先端材料研究所（IMSEAM）を設立しました。 IMSEAM は、数多くの科学研究プロジェクトを強力にサポートするために、MBF の精密投影マイクロステレオリソグラフィー (PµSL) 3D 印刷技術を選択し、マイクロプレート、マイクロ流体デバイス、臓器チップなどの高精度マイクロコンポーネントの正確な製造をさらに確実にしました。 PµSL テクノロジーの応用により、研究プロセスの効率と科学研究成果の全体的な品質が大幅に向上しました。この技術の統合により、IMSEAM の科学的探究に新たな章が開かれ、科学研究の革新と精密製造のシームレスな統合が実現しました。

IMSEAM は、合成および天然の構成要素から分子レベルで新しい材料、新しい方法、新しい技術の革新的な研究開発に取り組んでいます。現在、IMSEAM には 4 つの研究グループと 2 つの若手研究グループがあり、材料開発、有機エレクトロニクス、環境科学、バイオメディカルの分野における基礎理論と応用研究に取り組んでいます。さらに、IMSEAM は、デバイス製造および特性評価サービス (IMSEAM コア施設)、ソフト (バイオ) マテリアル特性評価、マイクロ流体技術の分野で、キャンパス内の他の研究グループにコア施設サポートを提供します。

多様なニーズに応える高精度のものづくり 急速に発展している最先端分野として、マイクロ流体技術はさまざまな分野に応用されてきました。この技術は、流体力学の深い理解から、液滴ベースのマイクロ流体法、合成細胞の作成、連続フローマイクロ流体の実践、複雑な臓器オンチップモデルの構築まで多岐にわたります。マイクロ流体コア施設 (µFlu CF) は、プロジェクト設計、マイクロ流体チップ製造、バイオセーフティ研究所など、マイクロ流体技術に関心を持つキャンパス内のすべての研究チームに包括的なサポートを提供することを目的としています。

同部門のプロジェクトリーダーであるパシャプール博士は、「2022年5月に、マイクロ流体チップの製造と分析に必要な機器の最初のバッチの購入を開始しました」と指摘した。従来のマイクロ流体チップの製造プロセスでは、通常、フォトリソグラフィー技術を使用して、フォトレジストでコーティングされたシリコンウェハー上にマスターモールドを作成します。この目的のために、当部門は、高さ 1 ～ 200 μm の 2D 構造を正確に製造できるマスクレスアライナーを導入しました。高い構造的一貫性を確保するため、当部門では干渉プロファイロメータを使用してシリコンウェーハと露光されたフォトレジストの厚さの差を監視していますが、測定許容範囲は 1 μm から 2 ～ 3 mm です。

パシャプール博士は次のように語っています。「上記のプロセスに加えて、3D 構造のマイクロ流体チップを製造できるようになることも期待しています。そのため、適切な 3D 印刷技術ソリューションを模索しています。」

nanoArch® S140: BMF の 10 μm レベルの 3D プリンティング装置は、優れた精度と高い許容差制御機能により、科学研究レベルの複雑なマイクロ部品の製造に成功しました。
PµSL テクノロジーは、科学研究とイノベーションのための強力なツールです。<br /> IMSEAM は徹底的な市場調査と総合的な評価を行った後、代表的なデザインを選択し、4 ～ 5 社のサプライヤーに印刷を依頼しました。その後、IMSEAM はこれらの印刷物の精度、品質、印刷効率を評価しました。パシャプール博士は、印刷装置を選択する際に、その後の実験で乱流が発生しないように、狭いチャネルを印刷するときに壁を滑らかに保つことが重要であると強調しました。 IMSEAM は、厳格な審査プロセスを経て、設計仕様を満たすサンプル部品を正確に製造できるという理由から、BMF の nanoArch® S140 (精度: 10 μm) 3D プリンターの採用を最終的に決定しました。

BMF の PμSL 3D 印刷技術は、科学研究および製造分野に必要な高解像度、高精度、高精度をもたらします。ステレオリソグラフィー (SLA) 技術である PμSL は、デジタル光処理エンジン (DLP)、精密光学コンポーネント、高精度モーション制御システム、および対応するソフトウェアに依存しています。従来の SLA テクノロジーと同様に、PμSL テクノロジーは部品を重ねて液体感光性樹脂に光を投影することで部品を印刷します。露出した部分では、樹脂内のポリマーが架橋して硬化します。パシャプール博士は次のようにコメントしています。「S140 は驚くほど優れた性能を発揮し、当社のニーズを満たす非常に完璧なサンプルを生み出しました。

メッシュ: 細胞誘導変形用の 100 µm の微細メッシュの 3D プリントチャンバー: チャンバー内に捕捉されたオルガノイド、チャンバー幅 200 µm、両側に 100 µm のフローポート

オープンソースに対応し、きめ細かなカスタマイズサービスを提供<br /> マイクロ流体技術の高水準を満たすために、IMSEAM は nanoArch® S140 3D プリンターを採用し、マイクロ流体の分野での研究と革新を促進しました。このプリンターの造形容積は 94 x 52 x 45 mm³ で、操作に必要な柔軟性を提供します。装置のオープンソース性により、研究所は BMF Precision が独自に開発した材料だけでなく、サードパーティのサプライヤーが提供する製品も使用できるようになり、材料の選択肢がさらに広がります。

nanoArch® S140 3D プリンターは、他のメーカーの製品よりも幅広い印刷パラメータ調整をユーザーに提供し、印刷のカスタマイズと適応性を大幅に向上させ、最適な条件下で期待どおりの結果が達成されることを保証します。機器の設置後、BMF は IMSEAM チームに対して、機器の原理と操作の詳細を網羅した包括的な指導と操作トレーニングを提供しました。 1 週間のトレーニングにより、研究チームはプリンターのさまざまな機能について深く理解することができました。

パシャプール博士は、最初のプロジェクトを印刷しようとした際に、アフターサービスを通じて非常に迅速なサポートを受けたと述べています。 2023 年 9 月以降、nanoArch® S140 はクリスマス休暇期間を除いて 24 時間 365 日稼働しています。この中断のない動作は、プリンターの効率性と信頼性を完全に証明します。パシャプール博士はまた、チームが膜の交換を実施し、印刷技術をさらに向上させ、印刷プロセスを最適化するためにオンライントレーニングコースに参加したと述べました。

150 µmの中空キューブ：3D細胞活性化のためにカーボンナノチューブでコーティング細胞誘導変形マイクロウェルプレート：GUVを捕捉するための直径と深さ80 µm、間隔20 µmの3Dプリントマイクロウェル
科学研究の可能性を活性化し、研究成果の変革を加速する
IMSEAM のマイクロ流体コア施設 (µFlu CF) は、BMF の高精度 PμSL 3D 印刷技術、特に黄色の樹脂をガラス基板に直接印刷する機能をうまく導入しました。パシャプール博士は、この機能によりマイクロ流体プロセスの分析に明確で直感的な視点が提供され、マイクロ流体のメカニズムに対する理解が深まると強調しました。

それでも、パシャプール博士は、特にガラスシートをミクロンレベルの精度で構築プラットフォーム上に位置合わせする際に、いくつかの課題があることを指摘しました。現在、チームは主にノギスに頼ってこの作業を行っていますが、パシャプール博士は将来、より高度なソフトウェアのサポートを得て、アライメントの精度と効率を向上させたいと考えています。

さらに、IMSEAM は、150 μm の空洞を持つ立方体、直径と深さが 80 μm、間隔が 20 μm の 3D プリントマイクロプレート、細胞誘起変形用の 100 μm の微細グリッドなど、いくつかのプロジェクトを成功裏に完了しました。これらのプロジェクトの成功は、精度の面で nanoArch® S140 3D プリンターの優れた性能を実証しただけでなく、マイクロ流体工学の分野におけるその重要な応用可能性を浮き彫りにしました。

パシャプール博士はまた、人工肺などの弾性材料を使用して臓器チップを印刷できるようになると期待していると述べた。同時に、MMF 精密 2 μm 解像度プリンターを使用して、より精密なサポート構造を製造できるかどうかも検討しています。

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