CADworks3D、多用途マイクロ流体3Dプリンター ProFluidics 285D を発売

2023年9月18日、Antarctic Bearは、カナダの3Dプリンターメーカー兼3D素材開発会社であるCADworks3Dが、マイクロ流体アプリケーション向けに特別に設計された高精度DLP 3Dプリンター「ProFluidics 285D」を発売したことを知りました。この革新的なマシンは、研究者のマイクロ流体デバイス製造に対する考え方を一変させ、高価で時間がかかり、労働集約的な従来の製造技術に代わる新しいソリューションを提供します。
対照的に、ProFluidics 285D は、合理化され、簡単に実装できるワークフローを実現します。 3D プリンターは多機能マシンであり、カプセル化機能を備えた透明デバイス、PDMS デバイス用のマスターモールド、生体適合性デバイスまたは構造など、さまざまなマイクロ流体デバイスを製造できます。 CADworks3D のさまざまな 3D 印刷材料と組み合わせることで、研究者はデバイスの設計に応じて 100μm またはそれよりも小さいチャネルを確実に生成できます。
「CADworks3D の究極の目標は、高解像度の印刷品質を犠牲にすることなく、手頃な価格で導入しやすく、多用途な 3D 印刷システムを提供し、マイクロ流体研究者を支援することです」と ProFluidics 285D の設計者は述べています。
△図A. ProFluidics 285Dの技術仕様。 CADworks3Dからの画像。
標準的な DLP 3D 印刷はどのように機能しますか?
デジタルライトプロセッシング (DLP) は、ポリマー 3D プリントまたは樹脂 3D プリントで最も一般的に使用されるテクノロジの 1 つであり、デジタルコンピュータ支援設計 (CAD) を使用可能な 3D オブジェクトに変換できます。この技術の基盤となるのは、デジタルマイクロミラーデバイス (DMD) と呼ばれるマイクロミラーのアレイに紫外線を照射するデジタルプロジェクターです。これらのミラーは、紫外線を感光性樹脂の層に反射し、印刷する物体の形状に固化させます。このプロセスは、オブジェクト全体が作成されるまでレイヤーごとに繰り返されます。（図Bの左側を参照）。
CAD ファイルは、CT スキャンのスライスと同様にレイヤーに分割されます。各レイヤーはさらにピクセルのグリッドに分割され、各ピクセルは DMD 内の個々のミラーに対応します。レイヤーを印刷するとき、プロジェクターは CAD ファイルの構築に必要なピクセルに対応するミラーをアクティブにします。ミラーが作動すると、液体樹脂に紫外線が反射され、ピクセル上で正確に硬化します。ミラーが非アクティブになると、光は放射されなくなり、その部分の樹脂は硬化しません。 (右の図 B を参照) 投影されたピクセルサイズはミクロン (μm) で表され、プリンターの技術仕様に記載されている XY 解像度に対応します。
△図B. DLP 3Dプリンティング技術の動作原理の説明。 CADworks3Dからの画像。
ProFluidics 285D が標準の DLP 3D 印刷を超える理由: 極めて滑らかな曲線や形状を印刷<br /> CAD ファイルの一部がピクセルを二分するとどうなりますか?標準的な DLP プリンターは、デザインが特定のピクセルをどの程度カバーしているかを評価し、バイナリ丸め関数を使用して、印刷プロセス中にピクセル全体をアクティブ化または非アクティブ化します。その結果、表面に明確な市松模様と階段状の曲線を持つデバイスが完成しました (図 C の左を参照)。多くの場合、機器は元の CAD ファイルから逸脱してしまいます。
ProFluidics 285D は、ダイナミックピクセルの利点によりこの問題を解決します。 ProFluidics 285D は 28.5μm の動的 XY 解像度を提供し、ピクセルを二分するデザイン機能も含め、デザイン機能の正確な解析を大幅に向上させます。印刷されたデバイスは意図した設計に非常に似ており、現在利用可能なプラットフォームと比較して、立体的なパターンとノイズの出現が最小限に抑えられています (右の図 C を参照)。このテクノロジーにより、ProFluidics 285D は、180 度の曲がり、複雑な蛇行チャネル、その他の複雑な形状の特徴を正常に印刷できます。
△図 C. 標準 DLP プリンタと ProFluidics 285D の印刷結果の比較。 CADworks3Dからの画像。
用途1: 透明包装機器
ProFluidics 285D は、さまざまな種類のマイクロ流体デバイスを製造できます。その最初のものは、カプセル化されたチャネルと機能を備えた透明なデバイスです。
これらのカプセル化されたチャネルの実現可能性と規模は、これらのデバイスの重要な側面であり、CADworks3D の透明マイクロ流体樹脂 ProFluidics 285D は優れています。デバイスは単一の印刷ジョブで製造できるため、複数の部品を組み立てる必要がなく、パッケージチャネルは XY 方向に 80 μm の細かさで印刷できます。研究者は、らせんコイルなど、Z 高さの変化を取り入れた、より斬新な設計を作成することもできます (図 D を参照)。
後処理は迅速かつ簡単なプロセスです。デバイスの高さに応じて、すぐに使用できるデバイスを印刷するプロセス全体は、1 時間強で完了します。表面コーティングや研磨を必要とせずに光学的な透明性が実現され、他の方法や材料で必要となることが多い面倒な後処理手順がいくつか不要になります。透明なマイクロ流体樹脂は蛍光灯の下では不活性であるため、顕微鏡検査や画像化に適しています。
△図 D. 100μm のチャネルと、一連のチャンバーを囲む 200μm のらせんコイルを備えた透明なマイクロ流体デバイス。 ProFluidics 285D で印刷されました。 CADworks3Dからの画像。
用途2：PDMSデバイスマスターモールド<br /> フォトリソグラフィーなどの従来の技術を使用する場合、マスターモールドの製造にはコストがかかり、時間がかかり、困難です。 ProFluidics285D は、マスターモールドの製造をクリーンルームからベンチサイドに移動し、プロセスを大幅に高速化します。研究者たちは、わずか数時間でマスターモールドを 3D プリントし、洗浄して硬化させ、1 営業日以内に PDMS デバイスを鋳造して基板に接着する準備を整えることができました。
CADworks3D の PDMS デバイス樹脂マスターモールドを使用すると、チャネル幅が 50um という小さなモールドを印刷できます。印刷された金型は優れたディテールと滑らかさを示し、平均測定 Ra 値は 0.18μm でした。これらの印刷されたマスターは、オーブンで PDMS を鋳造して硬化させるために必要な温度に耐えるほど耐久性があり、1 つのマスターから何百もの PDMS デバイスを鋳造するために再利用できます。
フォトポリマー樹脂は、離型剤、コーティング、またはその他の前処理プロセスなしで PDMS 鋳造物を正常に洗浄できるように慎重に配合されています。さらに、印刷されたマスターはキャスト PDMS に化学物質を浸出させないため、結果として得られる PDMS デバイスは生体適合性を維持します。
△図E. 3Dプリントされたマスターモールドで鋳造されたPDMSデバイス。蛇行したチャネル、マイクロスフェア、穴など、50μm～300μm の複数の設計機能を組み込んでいます。 ProFluidics 285D で印刷されました。 CADworks3Dからの画像。
応用3: 生体適合性デバイスおよび構造
生体適合性デバイスのテーマを拡張した ProFluidics 285D は、オープンマテリアルシステムで動作し、ユーザーがサードパーティのマテリアルを使用して印刷できるようにします。 ProFluidics 285D には 385nm LED 光源を備えたプロジェクターが搭載されているため、バイオスキャフォールドなどの用途向けに市販されているさまざまな生体適合性 3D 樹脂を使用して印刷できます (図 F を参照)。
3D プリントされたバイオスキャフォールドのユニークな特徴は、絡み合った格子構造をプリントできることです (図 G を参照)。これにより、よりランダムな構造が形成され、細胞が偏差に沿って成長できるようになり、成長のより均一な分布が促進されます。 Detax Freeprint Ortho Resin を例にとると、ProFluidics 285D は、100μm の薄さの支柱と 700μm ～ 1400μm の間隔でバイオスキャフォールドを 1 時間強で印刷できます。
△図F. 100µmの支柱と700µm～1400µmの間隔を持つバイオスキャフォールド。 ProFluidics 285D で印刷されました。 CADworks3Dからの画像。 △図 G. 図 F の 3D プリントされたバイオスキャフォールドを構成するインターレース格子の 3D レンダリング。 CADworks3Dからの画像。
マイクロ流体研究の発展に尽力しています<br /> 既存の 3D 市場では通常、他の業界から転用されたマイクロ流体ソリューションが提供されているため、研究者のニーズとプリンターの機能の間にギャップや完全な不一致が生じることがよくあります。マイクロ流体デバイスには 100 ミクロン未満の印刷精度が必要ですが、多くの主流のプラットフォームでは必要な規模や品質を提供できません。
CADworks3D の ProFluidics285D と材料は、マイクロ流体アプリケーションのみを念頭に置いて開発されています。これらを組み合わせることで、研究者は、密閉チャネルの場合は最小チャネルサイズが 80 μm、開放チャネルの場合は 50 μm で、より微細な機能を印刷するというニーズを満たす完全なキットを入手できます。これにより、新しい革新的なワークフローが可能になり、研究者の時間、労力、費用が節約されます。 5G対応のデバイスを3～5台製造するのにかかる時間はわずか数時間で、コストは2.05～2.55ドル程度です。従来の製造方法や、サードパーティの 3D 印刷サービスに製造を外注するコストと比較すると、完全な社内 3D 印刷プラットフォームを使用する利点は明らかです。

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