インサイチュ転写光硬化技術に基づく透明マイクロ流体デバイスの製造

インサイチュ転写光硬化技術に基づく透明マイクロ流体デバイスの製造
出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

ステレオリソグラフィー 3D 印刷技術 (VPP) は、マイクロ流体デバイスの製造において多くの利点があります。ただし、VPP で透明樹脂を印刷する場合、光の浸透深度が非常に大きいため、過硬化が起こりやすく、流路が詰まり、Z 軸方向のミクロンレベル (100 μm 未満) のチャネルを良好に制御することが困難になります。最近、南カリフォルニア大学の Yong Chen 氏のチームは、印刷されたチャネルの高さに対する光の浸透深度の制限を打ち破り、Z 軸方向に高解像度 (10μm 以内) と精度 (±1μm) を備えたマイクロ流体チャネルを正確に生成できる 3D 印刷技術である in situ 転写光重合 (IsT-VPP) を提案しました。関連論文「透明マイクロ流体デバイス製造のためのインサイチュトランスファーバット光重合」が Nature Communications 誌に掲載されました。

研究者らはまず、樹脂の光学特性と光量分布がマイクロ流体デバイスの製造に及ぼす影響を調査した。エネルギー制御とランバート・ビールの法則による光量計算では、チャネル上層の厚さを正確に制御できなかった。そこで研究者らは補助プラットフォームを使用してチャネル上層を固め、チャネルに吸収される総光量を減らし、USC形状の流体ルーターを製作し、この方法を使用して高精度で組み立て不要の複雑な構造の3Dマイクロ流体デバイスを製造できることを証明した(図1)。

図 1 樹脂の光学特性と光量分布がマイクロ流体チャネルの作成に与える影響。次に、研究者らはマイクロ流体デバイスの製造用にインサイチュ転写光硬化装置 (IsT-VPPA) を作成し、印刷プロセスを説明しました (図 2)。IsT-VPPA と従来の光硬化技術の違いは、チャネルの最上層を印刷するための PDMS でコーティングされた補助プラットフォームを備えていることです。

図2 IsT-VPP印刷プロセスの原理 その後、IsT-VPPが精密なマイクロ流体チャネルの高さ制御を実現できることを確認するために、研究者らは幅75µm、高さ10、20、30、40、50、60µmの埋め込みチャネルを印刷し、チャネルが正確で表面仕上げが良好であることを発見しました(図3a、b)。提案された多層マイクロチャネルの製造方法の実現可能性をさらに検証するために、24チャネル(高さ:10µm〜60µm)のモデルを印刷し、SEM結果と統計結果から平均チャネル誤差が1.5µm未満であることが示され、製造方法の信頼性が示されました(図3c、d、e)。

図3 IsT-VPPは高精度のマイクロ流体チャネルを準備するために使用されます。次に、研究者らはIsT-VPPを使用して、ギャップサイズを調整できる透明な振動マイクロ流体バルブと、ロボットピペットや手動ピペットを置き換えることができる自動サンプルプラットフォームを印刷しました。これは、IsT-VPPが設計の柔軟性、材料の選択、機能拡張の点でマイクロ流体チップのマイクロ流体自動化コンポーネントにメリットをもたらすことを示しています(図4)。

図 4 3D プリントされたマイクロ流体バルブと自動化されたサンプル プラットフォーム 最後に、IsT-VPP の実用性を実証するために、研究者は堰マイクロフィルター システムを設計および構築し、正確なチャネル ギャップ制御によって高純度の粒子選別を実現しました (図 5)。

図 5 3D プリントされた微粒子選別装置 要約すると、この記事では、光硬化技術に基づく 3D プリント方法を提案しています。この方法では、高い Z 解像度 (10μm 以内) と精度 (±1μm) を備えたマイクロ流体チャネルを正確に生成でき、チャネルの最上層をプリントするための補助プラットフォームを統合して、チャネル内の液体樹脂のエネルギー浸透を減らし、最小プリント可能チャネル高さに対する光の浸透深度の制限を打ち破ります。印刷された流体ルーター、マイクロバルブ、および微粒子選別チップは、IsT-VPP が、チャネルの高さを正確に制御した 3D 印刷マイクロ流体チャネル製造のためのシンプルで多用途な方法であることを示しています。近い将来、IsT-VPP プリントマイクロ流体デバイスの性能と機能は、さらに強化され、拡張されるでしょう。

ソース:
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28579-z

生物学、光硬化、細胞

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