I RICERCATORI SUTD INTEGRANO COMPONENTI FUNZIONALI A DISPOSITIVI MICROFLUIDICI STAMPATI IN 3D
Il Soft Fluidics Lab della Singapore University of Technology and Design (SUTD) ha sviluppato un metodo semplice per stampare dispositivi microfluidici 3D integrati con la gestione dei fluidi e componenti funzionali. La stampante 3D a scrittura diretta di inchiostro del laboratorio eroga una resina siliconica flessibile a rapido indurimento su vari substrati per formare microcanali. I microcanali fabbricati da SUTD hanno dimensioni sintonizzabili e una gamma più ampia di materiali disponibili rispetto ai precedenti metodi di stampa 3D. Questa tecnica di scrittura a inchiostro diretto consente la prototipazione rapida della microfluidica per applicazioni lab-on-a-chip in test chimici e analisi cellulare.
La microfluidica è la manipolazione e lo studio di litri sub-microscopici di fluidi. Circa delle dimensioni di una moneta da un dollaro, i dispositivi microfluidici consentono di condurre esperimenti esattamente a livelli di microscala. Il controllo sulle condizioni di reazione è migliorato mentre i tempi di reazione sono ridotti. Inoltre, le dimensioni ridotte dei dispositivi riducono la quantità di reagenti utilizzati, i rifiuti prodotti e il costo complessivo degli esperimenti. Che vanno dall’ingegneria alla biologia, la microfluidica si trova in molti campi multidisciplinari. I chip microfluidici e gli strumenti di controllo microfluidico sono esempi di applicazione della microfluidica nei test antidroga e nell’analisi di singole cellule.
Per la fabbricazione di dispositivi microfluidici, la litografia morbida stabilisce lo standard attuale. La litografia soft è un processo manuale in cui i materiali elastomerici vengono fusi su uno stampo fabbricato in una camera bianca. Sebbene questa tecnica abbia molteplici caratteristiche desiderabili per fabbricare canali microfluidici, il suo ciclo di progettazione-prototipo dura in genere alcuni giorni. Anche il processo di fabbricazione è difficile da automatizzare.
In grado di trasformare il design in prototipi funzionanti nell’ordine delle ore, la stampa 3D è emersa come attraente alternativa alla litografia soft. Processi come la “microfluidica in aria” bioprinting 3D e la stampa 3D FFF vengono quindi sviluppati per la fabbricazione di dispositivi microfluidici. Tuttavia, la stampa 3D della microfluidica presenta alcune limitazioni. In primo luogo sono i materiali limitati disponibili per la stampa 3D in termini di trasparenza ottica, flessibilità e biocompatibilità. In secondo luogo, le stampanti 3D commerciali utilizzate limitano le dimensioni ottenibili dei microcanali. L’ultima difficoltà è l’integrazione della microfluidica stampata in 3D con materiali e substrati funzionali.
Identificando le carenze della stampa 3D, i ricercatori SUTD hanno adottato una strada diversa per applicare la stampa 3D per la fabbricazione di microcanali. Utilizzando la scrittura diretta a inchiostro (DIW) di sigillante siliconico a rapida polimerizzazione, il team è riuscito a stampare rapidamente dispositivi microfluidici 3D su vari substrati come vetro, plastica e membrane.
Il sigillante siliconico modellato determina il design dei canali fluidici. Le dimensioni del canale sono controllate semplicemente regolando la distanza tra il substrato superiore e inferiore che serve a sigillare il canale. Quindi, questo metodo consente la fabbricazione di canali microfluidici che sono sintonizzabili dinamicamente nelle dimensioni. Con substrati trasparenti, i ricercatori possono immaginare il canale usando un microscopio.
In questo esperimento, il metodo SUTD ha raggiunto dimensioni del canale fino a 32 micron di larghezza e 30 micron di altezza. Le modalità microfluidiche di base (ad es. Canali diritti e ramificati, miscelatori e generatori di goccioline) e le modalità funzionali (ad es. Valvole, resistori a flusso variabile e generatori di gradiente) sono stampate in 3D su un substrato otticamente trasparente.
Dopo aver affrontato i problemi legati alla scelta limitata dei materiali e alle dimensioni ottenibili, il team ha applicato il metodo DIW per integrare la microfluidica stampata in 3D con materiali funzionali. Le applicazioni di ingegneria e biologia sono al centro di questo studio. La DIW di SUTD si avvicinò riuscendo a modellare facilmente le barriere di silicone direttamente su un circuito stampato non modificato. È anche in grado di integrare immediatamente elettrodi nei microcanali che funzionerebbero come sensori di flusso in tempo reale. Il team ha anche eseguito colture cellulari di cheratinociti umani aria-liquidi integrando membrane microporose in microcanali.
“Il nostro approccio all’applicazione della stampa 3D DIW consente la modellazione diretta di microcanali essenzialmente su qualsiasi substrato piano”, ha affermato la professoressa Michinao Hashimoto, la principale ricercatrice del progetto. Il metodo dei ricercatori SUTD ha dimostrato con successo la prototipazione rapida di dispositivi microfluidici integrati con componenti funzionali, soddisfacendo i requisiti per le applicazioni lab-on-a-chip.
Ideazione e dimostrazioni di dispositivi microfluidici fabbricati con la stampante 3D DIW. I dispositivi dimostrati includono: miscelatore, camera di coltura cellulare, generatore di goccioline, generatore di gradiente multistrato, resistenza di flusso, elettrodi integrati e membrane porose integrate. Immagine tramite SUTD.
La fabbricazione di dispositivi microfluidici integrati mediante la stampa 3D a inchiostro diretto (DIW) è pubblicata su Sensors and Actuators B: Chemical Volume 297 . È co-autore di Terry Ching, Yingying Li, Rahul Karyappa, Akihiro Ohno, Yi-Chin Toh, Michinao Hashimoto.