За последние годы в области изготовления PDMS-устройств для микрофлюидики произошли значительные изменения. Перейдя от традиционных методов, таких как фотолитография, к более экономичным альтернативам, таким как мягкая литография, новые исследования изучают интеграцию 3D-печати и то, как она может вписаться в существующие рабочие процессы по изготовлению устройств.
Канадский производитель 3D-принтеров и разработчик 3D-материалов CADworks3D является лидером в этой области. Сочетая революционную технологию 3D-принтеров со специализированными фотополимерными материалами, CADworks3D создала полное и эффективное решение для 3D-печати при изготовлении PDMS-устройств. Оно включает в себя DLP-принтер ProFluidics 285D и собственную фотополимерную смолу Master Mold for PDMS Device.
3D-принтер ProFluidics 285D компании CADworks3D и фотополимерная смола Master Mold for PDMS Device
Эволюция от фотолитографии к мягкой литографии
На заре исследований в области микрофлюидики фотолитография была основным методом создания микроструктур и паттернов на микрофлюидных устройствах. Она предполагала использование фотомасок, чистых помещений и сложных химических процессов для создания точных узоров на таких подложках, как кремниевые пластины или стеклянные слайды.
Хотя фотолитография позволяет создавать паттерны с высоким разрешением, у нее есть заметные ограничения. Для создания одного устройства требуется множество этапов и несколько различных инструментов и химикатов. Сюда же относится специализированное оборудование и чистые помещения, что делает эту технику дорогой и недоступной для многих исследователей или небольших приложений. Кроме того, фотолитография не подходит для создания сложных конструкций или трехмерных структур. Это однослойный процесс, а создание многослойных структур или трехмерных микрофлюидных систем требует многократных раундов фотолитографии, процессов выравнивания и склеивания, которые занимают много времени и чреваты ошибками при выравнивании.
Фотолитография в основном подходит для обработки полупроводниковых материалов, таких как кремний и стекло, и не идеальна для материалов, несовместимых с агрессивными химическими веществами и высокими температурами, используемыми в этом процессе. В связи с этим вырос спрос на более доступные и универсальные микрофлюидные устройства, и мягкая литография стала играть важную роль в этой отрасли.
Мягкая литография для создания PDMS-устройств
Мягкая литография была разработана как альтернатива фотолитографии, устраняя многие из ограничений предшественника, в частности, в отношении стоимости, простоты и совместимости материалов. Она относится к группе методов, использующих эластомерные материалы для изготовления микрофлюидных устройств, среди которых наиболее распространенным является полидиметилсилоксан (PDMS). С ее помощью исследователи теперь могут быстрее и эффективнее создавать прототипы и микрофлюидные устройства.
Мягкая литография начинается с создания мастер-формы, часто с помощью фотолитографии. Эта мастер-форма содержит негативный рельеф желаемых микрофлюидных элементов, таких как каналы и камеры. Затем смешивается PDMS, выливается на мастер-форму и отверждается, чтобы создать копию мастер-формы. Эта копия отслаивается от мастер-формы и приклеивается к подложке с помощью кислородно-плазменной обработки или химического склеивания для создания герметичного микрофлюидного устройства. Главным преимуществом этого метода является возможность изготовления множества микрофлюидных PDMS-устройств из одной мастер-формы за короткий промежуток времени.
Ускорение процесса мягкой литографии с помощью 3D-печатных мастер-форм
Интеграция 3D-печати в рабочий процесс мягкой литографии представляет собой следующий шаг в эволюции производства микрофлюидных устройств.
Фотолитография является наиболее распространенным методом изготовления мастер-форм. Однако, как уже говорилось, процесс фотолитографии является дорогостоящим, занимает много времени и оставляет желать лучшего в создании (а) сложных конструкций и (б) трехмерных элементов - и все это в сжатые сроки. 3D-печать решает эти проблемы, предлагая новый, эффективный метод создания мастер-форм.
3D-печать позволяет быстро создавать прототипы микрофлюидных устройств. Она позволяет исследователям быстро повторять и модифицировать свои проекты, печатая новые мастер-формы в 3D-формате в течение одного рабочего дня, что сокращает время и расходы, связанные с традиционным изготовлением форм. Микрофлюидные устройства становятся очень настраиваемыми, и исследователи могут легко создавать индивидуальные микроструктуры и адаптировать их по мере необходимости для удовлетворения конкретных требований приложений.
Рабочий процесс изготовления PDMS-устройств с 3D-печатными мастер-формами.
Решения CADworks3D для устройств из PDMS
Компания CADworks3D разработала решение для 3D-печати, предназначенное для изготовления устройств из PDMS. Исследователи получают возможность 3D-печати, очистки и полимеризации мастер-формы всего за несколько часов, и в течение одного рабочего дня устройство из PDMS может быть отлито и готово к приклеиванию к подложке.
ProFluidics 285D - флагманский DLP 3D-принтер компании CADworks3D. В то время как большинство 3D-принтеров, представленных на рынке, переработаны из других отраслей, ProFluidics 285D был разработан специально для микрофлюидики. Он работает по уникальной технологии, известной как преимущество динамических пикселей. Это позволяет пользователям печатать микрофлюидные устройства с превосходными 3D-характеристиками, а 3D-печатные устройства в точности повторяют задуманный дизайн, как показано в исходном файле CAD. По сравнению с другими платформами 3D-печати, ProFluidics 285D демонстрирует более гладкую поверхность и правильное разрешение кривых для создания сложных трехмерных микрофункций, таких как змеевидные каналы, микролунки и купола.
Набор мастер-форм CADworks3D, 3D напечатанных на ProFluidics 285D.
При использовании в сочетании со смолой Master Mold for PDMS Device Resin от CADworks3D пользователи могут создавать мастер-формы с открытыми каналами 50 мкм и значением шероховатости поверхности (Ra) 0.18 мкм. Этот фотополимер был разработан для сокращения количества этапов, необходимых для изготовления микрофлюидных PDMS-устройств. Он не требует разделительных агентов, покрытий или других процессов предварительной обработки для успешного литья PDMS. 3D-печатные мастер-формы способны выдерживать температуры, необходимые для правильного отверждения PDMS. Согласно статистике, предоставленной лабораторией Келли из Университета Торонто, при надлежащем уходе одна 3D-печатная мастер-форма может быть использована для создания более 500 PDMS-устройств. Кроме того, 3D-печатные мастер-формы не пропускают химические вещества, что позволяет литым PDMS-устройствам сохранять свои биосовместимые свойства.
Крупный план образца мастер-формы CADworks3D. 3D-печать на ProFluidics 285D.
Объединив мягкую литографию с 3D-печатью, исследователи получают доступ к возможностям быстрого прототипирования и создания сложных трехмерных микрофлюидических устройств с высокой степенью индивидуальности. Такая интеграция открывает двери для инновационных приложений в различных научных дисциплинах и отраслях промышленности, делая нас еще на один шаг ближе к более доступным и адаптированным микрофлюидным решениям за долю стоимости традиционных методов.
