Die strömungsbasierte Manipulation von Partikeln wird zur Untersuchung weicher Materialien eingesetzt. Historisch gesehen basierten strömungsbasierte Manipulationen fast ausschließlich auf zweidimensionalen Strömungen, die in planaren mikrofluidischen Geometrien erzeugt wurden. Hung Nguyen, ein Doktorand der Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften in der Schroeder-Gruppe an der University of Illinois at Urbana Champaign, suchte nach einer Möglichkeit, dreidimensionale Strömungsfelder mittels automatisierter Strömungsregelung zu demonstrieren.
Auf der Suche nach einer Lösung
Strömungsbasierte Fallen basierten bisher auf 2D-Strömungsfeldern aufgrund von Einschränkungen der Schicht-für-Schicht-Montagetechnik, die in der Weichlithographie verwendet wird. Die Herstellung mikrofluidischer Geräte, die 3D-Strömungen erzeugen können, war eine Herausforderung. Nguyen stellte sein mikrofluidisches Gerät zunächst mit einem SLA-3D-Drucker her. Der kleinste mit SLA erreichbare Kanal betrug 500 µm x 500 µm mit erheblicher Oberflächenrauheit, was die Durchführung von Einzelmolekülexperimenten erschwerte.
Als nächstes verwendete Nguyen die 2-Photonen-Polymerisation (2PP). Der 2PP-Drucker war zwar in der Lage, das gewünschte Teil herzustellen, aber das Verfahren war aufgrund der Größe, die das mikrofluidische Gerät benötigt, um mit den anderen Hardwaresystemen im Labor verbunden zu werden, kostspielig und zeitaufwendig.
Einsatz der PµSL-Technologie zur Erzeugung von 3D-Strömungsfeldern
Nachdem SLA und 2PP nicht funktionierten, wandte sich Nguyen der Projektions-Mikro-Stereolithographie (PµSL)-Technologie zu. Mit dem microArch S240 konnte das Team die für Einzelmolekülstudien erforderliche Auflösung, Präzision und Genauigkeit in einem überschaubaren Zeit- und Kostenrahmen erreichen, was es Nguyen ermöglichte, ihre Bauteile mehrfach in kurzer Zeit zu prototypisieren, ohne Auflösung und Genauigkeit opfern zu müssen. Nach einigen Prototyping-Runden erstellte das Team ein mikrofluidisches Gerät mit sechs 300 x 300 µm Kanälen, die an einem Kreuzschlitz zusammenlaufen.
Im experimentellen Aufbau kann Nguyen 3D-Strömungen innerhalb des Kreuzschlitzes erzeugen. Ein offener Kanal in der Vorrichtung ermöglicht es dem Team, die Strömung im Kreuzschlitz unter einem Mikroskop zu beobachten.
“Overall, saying that we are happy with the results would be an understatement. We have checked the printed parts with CT scans and the precision and resolution of the part is exactly as we designed it within ±0.010mm tolerance. We also performed initial testing of the parts “in flow” and confirmed that the geometry of the device and the generated flow topography were nominal. The surface finish was better than any 3D printed parts we have seen using FDM, SLA, or SLS technologies.”– Hung Nguyen, Material Science and Engineering PhD student
Zukünftige Anwendungen
Die Möglichkeit, 3D-Strömungsfelder zu demonstrieren, wird die strömungsbasierte Manipulation für zahlreiche weitere Anwendungen erschließen, darunter die Untersuchung des Blutflusses, der Dehnung von Polymeren in Rohren und vieles mehr.
