Коллектив ученых из Университета Бригама Янга (США) предложил метод 3D-печати для создания микрофлюидных «лабораторий-на-чипе» с рекордно тонкими каналами. Благодаря технологии DLP («цифровой обработки света») и тщательному подбору материала для печати авторы добились стопроцентного выхода при создании каналов сечением 18×20 квадратных микрон — в 10 раз меньшей площади, чем удавалось до сих пор. Исследование опубликовано в специализированном журнале по микрофлюидике Lab on a Chip.

Микрофлюидика — это область, в рамках которой изучают поведение жидкостей в каналах толщиной порядка микрон. Благодаря своим небольшим размерам микрофлюидные устройства позволяют проводить сложные многостадийные манипуляции с жидкостями и помещенными в них объектами (клетками, пузырьками, частицами, каплями) при помощи чипов размером в несколько миллиметров. Отсюда и название самых популярных микрофлюидных устройств — «лаборатории на чипе».

По сравнению с макросистемами — привычными «трубами» и сравнительно толстыми (миллиметровыми) капиллярами — в микрофлюидике несколько меняется поведение жидкости. Например, большую роль играет вязкое сопротивление и свойства поверхности. Отдельную проблему представляет собой производство тонких каналов, ведь как и в микроэлектронике, каждый чип состоит из многочисленных «дорожек» (каналов для жидкостей) с «перекрестками», клапанами и участками с особой формой и рельефом стенок.

Для создания микрофлюидных систем традиционно используются методы мягкой литографии, но в последнее время набирает популярность и 3D-печать. Однако до сих пор ей не хватало точности и разрешения, чтобы всерьез соревноваться с литографией. Авторы новой работы создали свою модификацию коммерческого 3D-принтера и подобрали специфический материал для печати, в результате чего смогли добиться рекордного разрешения.

Схема принтера, использованного в работе
Схема принтера, использованного в работе

В качестве материала стенок в микрофлюидике обычно используются полимеры, которые образуются из жидкого раствора в ходе фотополимеризации. Для этого каждый слой, нанесенный во время печати, необходимо облучить светом с определенной длиной волны. При этом освещенные участки слоя застынут и станут стенками, а неосвещенные затем смоются, и в этом месте останется «пустота», то есть сам канал. Чтобы точно освещать только требуемые участки слоя, авторы воспользовались методом DLP, который широко используется в проекторах, как домашних, так и промышленных. В этих устройствах установлена система призм и зеркал, которая создает необходимую последовательность пикселей в каждом изображении. Источником света в работе послужил светодиод с длиной волны 385 нанометров, что ниже обычно используемых 405 нанометров — это позволило рассмотреть больший спектр материалов, пригодных для печати.

Особое внимание авторы уделили светопоглощающей добавке, которая решала одну из главных проблем трехмерной печати микроканалов. Представьте, что принтер только что напечатал слой, в котором есть пустота (канал), а следующий слой должен быть сплошным (верхней крышкой, например). При освещении «пикселя», расположенного над пустотой, свет может проникнуть в предыдущий слой, в результате чего вместо пустоты вы получите стенку. Чтобы этого избежать, и добавляется фотопоглощающая добавка, которая не дает свету проникать дальше, чем того требуется.

Фотопоглощающее вещество авторы отбирали из 20 кандидатов, которых сравнивали по 6 критериям: растворимость в основном материале, спектр поглощения (совместимость с источником света), критическая температура, механическая прочность после полимеризации образца, способность к флуоресценции (паразитная и ненужная в данной работе) и обеспечиваемое разрешение печати, то есть глубина проникновения света. После такого отбора ученые оставили лишь одно вещество — NPS (2-нитрофенил фенил сульфид).

Пример напечатанного канала-«змейки»
Пример напечатанного канала-«змейки»

Для того, чтобы протестировать готовый метод, авторы напечатали несколько типичных микрофлюидных систем: «змейку», а также канал с большим соотношением сторон по вертикали — 25 микрон в ширину и 3 миллиметра в высоту. Ученые также оценили ширину одного «пикселя» в плоскости печати — 7,6 микрон, а минимально достижимое сечение канала составило 18×20 квадратных микрон. В статье отмечается, что методы литографии позволяют добиваться и меньших значений, однако они лишены многих возможностей трехмерной печати, например, создания полноценных 3D-устройств, в которых каналы не лежат в одной плоскости.

Спектр применения трехмерной печати на сегодняшний день остается очень широким: от микрофлюидики и печати органов до строительства зданий. Точно так же велик и диапазон используемых материалов: помимо пластика известны системы для печати металлом или стеклом.