Die strömungsbasierte Manipulation von Partikeln wird zur Untersuchung weicher Materialien eingesetzt. In der Vergangenheit haben sich strömungsbasierte Manipulationen fast ausschließlich auf zweidimensionale Strömungen gestützt, die in planaren mikrofluidischen Geometrien erzeugt wurden. Hung Nguyen, ein Doktorand der Materialwissenschaften und des Ingenieurwesens in der Schroeder-Gruppe an der University of Illinois in Urbana Champaign, suchte nach einer Möglichkeit, dreidimensionale Strömungsfelder mit automatischer Strömungssteuerung zu demonstrieren.
Auf der Suche nach einer Lösung
Strömungsbasierte Fallen waren bisher auf 2D-Strömungsfelder angewiesen, da die in der Softlithografie verwendete Technik des schichtweisen Aufbaus nur begrenzt funktioniert. 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 einem SLA-Drucker herstellbare Kanal war 500 µm x 500 µm groß und wies eine erhebliche Oberflächenrauhigkeit auf, 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.
Verwendung der PµSL-Technologie zur Erstellung von 3D-Strömungsfeldern
Nachdem SLA und 2PP nicht funktionierten, wandte sich Nguyen der Projection Micro Stereolithography (PµSL) Technologie zu. Mit dem microArch S240 konnte das Team die für die Untersuchung einzelner Moleküle erforderliche Auflösung, Präzision und Genauigkeit in einem überschaubaren Zeit- und Kostenrahmen erreichen, was es Nguyen ermöglichte, seine Teile in kurzer Zeit mehrfach zu prototypisieren, ohne dabei Abstriche bei Auflösung und Genauigkeit machen zu müssen. Nach einigen Prototyping-Runden schuf das Team ein mikrofluidisches Gerät mit sechs 300 x 300 µm großen Kanälen, die in einem Kreuzschlitz zusammenlaufen.
In der Versuchsanordnung kann Nguyen 3D-Strömungen im Inneren des Kreuzschlitzes erzeugen. Ein offener Kanal in der Vorrichtung ermöglicht es dem Team, die Strömung im Inneren des Kreuzschlitzes 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
Künftige Verwendungszwecke
Die Möglichkeit, 3D-Strömungsfelder zu demonstrieren, wird die strömungsbasierte Manipulation für viele weitere Anwendungen öffnen, z. B. für die Untersuchung, wie Blutzellen fließen oder wie sich Polymere in Rohren dehnen.
